Двигатель внутреннего сгорания роторного типа с двойным центром вращения - RU2666036C2
Код документа: RU2666036C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к усовершенствованному конструктивному решению двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием роторного типа с двойным центром вращения вращающейся массы, которое обеспечивает возможность оптимизации термодинамической эффективности при уменьшении механических усилий и вибрации из-за ускорения и замедления ротора, упрощение конструкции при раздельном отводе отработавших выхлопных газов и смеси отработавших газов с омывающим воздухом, что даже обусловливает возможность применения каталитического глушителя, дополняющего эффективность конструкции.
Основным предметом настоящего изобретения является усовершенствование заявленного роторного двигателя с двойным центром вращения, характеризующегося тем, что внешняя поверхность скольжения вращающихся элементов и соответствующая внутренняя поверхность статора имеют изогнутую форму, за счет чего габаритные размеры и требуемая мощность двигателя сбалансированы, и может быть достигнуто идеальное соотношение между объемами, образующимися в фазах всасывания и сжатиях воздуха для горения, из расчета объемов сгорающих газов в фазе полезного расширения, при этом для достижения такого идеального соотношения обеспечена возможность минимизации ''колесной базы'' (расстояния между осями) элементов сжатия и всасывания ротора, как и (расстояния между осями) соответствующих камер корпуса статора, кроме того, может быть обеспечен различный и раздельный отвод отработавших газов в зависимости от присутствия в двигателе омывающих газов. До настоящего времени предпринимались неоднократные попытки разработки технических решений и осуществления, так называемых ''роторно-поршневых'' двигателей, которые могли бы преодолеть инерционность и габаритные ограничения, характерные для традиционных так называемых ''многоцилиндровых'' поршневых двигателей, не увенчавшиеся однако успехом из-за различного рода проблем, среди которых - ряд конструкционных и функциональных проблем.
Достойный вклад в преодоление некоторых из этих трудностей внес патент ЕР 1540139, который, по мнению заявителя, усовершенствовал и сделал более функциональными некоторые предшествующие решения по роторному двигателю этого же заявителя, уже базирующиеся на двух центрах вращения элемента или ротационного поршня, реализуя ротор, составленный из двух вращающихся элементов, скользящих между собой посредством третьего вращающегося взаимно сочлененного шарнирного элемента, при этом сам ротор вращается внутри седла, образованного двумя цилиндрическими камерами с проксимальными осями с размещением промежуточной камеры сгорания, что образует камеры с предварительно заданными параметрами, предназначенные для различных фаз всасывания, сжатия, сгорания с расширением и отводом газов. На основе опыта, приобретенного при осуществлении и совершенствовании роторного двигателя, раскрытого в указанном патенте ЕР 1540139, появилась возможность разработки улучшенного термодинамического цикла типа двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием с двойной осью вращения, те самые цикл и конструкция которого составляют предмет международной патентной заявки WO 2010/031585 того же самого заявителя. В указанной заявке на патент № WO 2010/031585 в частности достигнута цель реализации улучшенного термодинамического цикла, в котором двигатель позволяет смешивать воздух с топливом непосредственно внутри компрессионной камеры с последующим исключением любой вероятности утечки несгоревших углеводородов, в особенности - во время фазы промывки камеры расширения, гарантируя, таким образом, полное сгорание и снижение экологического загрязнения, а также увеличение производительности горючей смеси и, следовательно, двигателя упомянутого типа.
Тем не менее, осуществление даже этого улучшенного термодинамического цикла и двигателя роторного типа с двойным центром вращения подчеркнуло тот факт, что оптимальные значения частоты вращения не могут быть достигнуты без дополнительного совершенствования конструкции, в особенности - усиления приводного вала и несущих его элементов, а также конструктивного исполнения специфических элементов компоновки ротора и шарнирного линейного элемента к нему в соответствии с патентной заявкой № BL2010A03 того же заявителя. К названному дополнительному решению относится создание пространства для установки вкладышей подшипников на ротационный элемент сжатия с возможностью небольшого увеличения диаметра приводного вала и с введением купола в двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием для улучшения турбулентности газа в фазе воспламенения. Однако даже эти элементы компоновки не устранили до конца другие недостатки, которые, безусловно, присутствуют в таком критически инновационном решении, какое реализовано в вышеназванных патентных заявках. В частности, в результате доступное пространство между приводным валом и внутренней частью опорных колец компрессионного элемента ротора осталось ограниченным, в силу чего диаметр вала остался недостаточным, а проблема его механической стойкости решенной частично, если учитывать высокую мощность, уже доступную в фазе сгорания и расширения рабочего хода ротора.
Даже количество оборотов такого роторного двигателя по-прежнему лимитировано изменением частоты вращения элемента сжатия из-за его ускорения в фазе выхода из элемента расширения и замедления в фазе возврата. Такое изменение частоты вращения всегда является причиной постоянных механических усилий и вибрации двигателя, а, следовательно, подразумевает необходимость установления весьма низкой частоты вращения с учетом достижимой мощности.
На термодинамический КПД двигателя значительно влияет полезная или рабочая поверхность в момент максимального давления, достигаемого газами в фазе их начального расширения, что в решении, предложенном упомянутой заявкой WO 2010/031585, обеспечивается поверхностью полосы прохода и прямоугольной формой плоской головки элемента расширения, выходящего из элемента сжатия. Указанная прямоугольная плоская поверхность образует минимальную площадь для фронтального толчка элемента ротора в самый начальный момент расширения при максимальной энергии горения.
Как следует из различных известных и рассмотренных выше решений, ширина двух камер статора - расширения и сжатия - определяется расстоянием между соответствующими осями и различием образуемых радиусов. Так, для увеличения мощности двигателя указанное расстояние, или колесная база, должно быть максимальным, но оно должно быть максимально же и уменьшено, чтобы обеспечить максимальное пространство для приводного вала и опор вращения для него. Более того, минимальное расстояние между этими двумя осями позволило бы свести к минимуму колебания частоты вращения за счет достижения ими более высокой частоты вращения и мощности. Исходя из рассматриваемой технологии, при частоте вращения приводного вала, сравнимой по вырабатываемой мощности с четырехтактным роторным двигателем, колесная база между двумя цилиндрическими камерами статора должна приблизительно соответствовать значению, равному 25% от средней величины радиусов, образуемых этими камерами. Меньшие значения этой колесной базы приемлемы, но уменьшают объем камер, и значит - мощность двигателя при неблагоприятном соотношении объем/поверхность для камеры расширения. Большие значения колесной базы приводят к избыточным механическим усилиям двигателя, обусловленным ускорением и замедлением во взаимном скольжении между двумя элементами ротора - расширения и сжатия, не считая нарастание уже упомянутых проблем - конструкционных, подвижности и герметичности, в силу чего в настоящее время возможны только двигатели с низким числом оборотов.
Наконец, было выявлено, что в известных вариантах решений роторного двигателя газообразные продукты сгорания смешиваются с воздухом, накопившимся в фазе промывки и содержащим кислород, что не совместимо с использованием глушителей с каталитическим дожигом и в силу этого создает серьезные проблемы для снижения содержания в выхлопных газах загрязнителей. Главной целью настоящего изобретения фактически является решение задачи максимального использования мощности, доступной для двигателя данного типа, путем использования лучшего соотношения между объемами расширения и сжатия при сбалансированности габаритов и мощности двигателя даже при сведении к минимуму колесной базы между вращающимися элементами и между вмещающими их камерами статора.
Внутри поставленной цели намечена другая важная цель, состоящая в решении задачи максимального использования мощности, достигаемой двигателем данного типа, при сведении к минимуму разницы в скорости [прямолинейного] перемещения линейного элемента ротора, шарнирно сочленяющего элемент сжатия с элементом расширения и таким образом способствующего снижению взаимных ускорений и замедлений, причем, такому снижению, при котором становится возможным даже повышение числа оборотов двигателя.
Сопутствующая цель заявляемого изобретения - обеспечение максимальной поверхности, толкающей элемент расширения, в особенности, в момент непосредственно после фазы воспламенения.
Еще одна цель данного изобретения - оснащение двигателя приводным валом с диаметром, способным обеспечить максимальное использование мощности двигателя, путем высвобождения пространства для такого диаметра за счет габаритов взаимно вращающихся элементов сжатия и расширения и за счет расстояния их взаиморасположения или колесной базы.
Другая значимая цель настоящего изобретения состоит в оптимизации размещения и защиты маслосборников или подшипников или вкладышей подшипников между статором и ротором двигателя данного типа для расширения доступного пространства вокруг приводного вала и, возможно, для улучшения процесса его смазки.
Не последней целью заявляемого изобретения является сведение к минимуму выброса загрязняющих отработавших газов за счет применения, по крайней мере, обычных каталитических глушителей и, соответственно, повышения эффективности двигателя данного типа.
Эти и другие цели фактически достигаются эндотермическим роторным двигателем с двойным центром вращения, составляющим предмет настоящего изобретения, согласно прилагаемой формуле которого данный двигатель характеризуется тем, что внешняя поверхность скольжения элементов ротора и соответствующая внутренняя поверхность статора имеют изогнутую форму, таким образом, что габаритные размеры и мощность, необходимые для двигателя, сбалансированы, возможно достижение идеального соотношения между объемами, образующимися в фазах всасывания и сжатиях воздуха для горения, из расчета объемов сгорающих газов, при этом, для достижения такого соотношения обеспечена возможность минимизации колесной базы элементов сжатия и всасывания ротора, как и соответствующих камер корпуса статора, кроме того, может быть обеспечен различный и раздельный отвод отработавших газов в зависимости от присутствия в двигателе омывающих газов.
Предложенное конструктивное решение и его соответствие поставленным выше целям наглядно описано и проиллюстрировано далее исключительно в качестве примера без ограничительных целей, что распространяется и на прилагаемые схематический вариант компоновки на фиг. 20 и фрагмент детализации на фиг. 21, а также на сопроводительные фигуры, где:
на фиг. 1 представлено пространственное покомпонентное изображение ряда основных деталей усовершенствованного двигателя по настоящему изобретению;
на фиг. 2 дан вид в перспективе статора двигателя, изображенного на фиг. 1;
на фиг. 3 дан вид статора фигуры 2 в вертикальном разрезе по центу секущей плоскостью III-III фигуры 5;
на фиг. 4 дан вид, аналогичный фиг. 3, статора в вертикальном разрезе, смещенном в сторону, секущей плоскостью IV-IV фигуры 5;
на фиг. 5 дан вид статора фигур 2, 3 и 4 в разрезе секущей плоскостью V-V фигур 3 и 4;
на фиг. 6 дан вид в перспективе деталей узла ротора двигателя на фиг. 1, включающий элементы сжатия, расширения и взаимного шарнирного сочленения в случайном расположении относительно приводного вала;
на фиг. 7 дан вид в вертикальном разрезе по центру деталей ротора с фигуры 6 в сборе со статором с фигуры 3 в конечной фазе сжатия воздуха для горения, одновременной с фазой всасывания наружного воздуха, когда клапан препятствует их выпуску;
на фиг. 8 дана детализация в увеличении двигателя на фиг. 7, иллюстрирующая фазу воспламенения горючей смеси, следующей за фазой максимального сжатия воздуха для горения и предшествующей фазе полезного расширения;
на фиг. 9 дан вид двигателя, аналогичный виду на фиг. 7, иллюстрирующий начальную фазу полезного расширения, следующую непосредственно за фазой зажигания на фиг. 8, с закрытием выпускного канала и с начальным закрытием канала всасывания наружного воздуха;
на фиг. 10 дан вид двигателя, как на фиг. 9, в следующей промежуточной фазе полезного расширения с закрытием канала отвода отработавших газов с помощью роторного элемента расширения и с одновременным закрытием воздушного впускного канала с помощью того же элемента расширения;
на фиг. 11 дан вид двигателя, как на фиг. 10, в разрезе примерно по полосе сечения IV-IV статора фигуры 5 и в плоскости сечения XI-XI фигуры 16, иллюстрирующий конечную фазу максимального расширения при одновременной начальной фазе отвода отработанных газов и при завершении фазы всасывания наружного воздуха;
на фиг. 12 показан вид двигателя через мгновение после момента на фиг. 11, но в разрезе секущими плоскостями III-III фигуры 5 и XII-XII фигуры 16, иллюстрирующий почти одновременный плавный запуск фазы промывки двигателя воздухом, поступающим также через боковые впускные каналы корпусов статора, проходящим из камеры сжатия в камеру зажигания, в камеру расширения, и отводимым через выпускной клапан, но через другое отверстие, чем для отвода выхлопных газов;
на фиг. 13 дан вид двигателя, как на фиг. 11, через мгновение после фигуры 12, показывающий конец фазы промывки с закрытием выпускного клапана и продолжения бокового всасывания наружного воздуха при еще закрытом главном всасывающем клапане;
на фиг. 14 дан вид статора фигуры 5 в разрезе секущей плоскостью IV-IV, как на фиг. 13, показывающий фазу сжатия воздуха для горения, уже начавшуюся благодаря роторному элементу сжатия, при одновременном постепенном начале фазы всасывания с открытием соответствующего клапана и закрытием выпускной камеры;
на фиг. 15 дан вид двигателя фигуры 10 в поперечном разрезе секущей плоскостью XV-XV, показывающий промежуточную фазу полезного расширения;
на фиг. 16 дан вид двигателя фигуры 11 в поперечном разрезе секущей плоскостью XVI-XVI, показывающий фазу отвода отработанных газов;
на фиг. 17 дин вид двигателя фигуры 9 в поперечном разрезе секущей плоскостью XVII-XVII фигуры 9, показывающий начальную полезную фазу роторного элемента расширения, следующую за фазой максимального сжатия воздуха для горения и его смешиванием с топливом в запальной камере статора;
на фиг. 18 дан вид в перспективе пары клапанов для установки в гнездах соответствующих каналов статора фигур 2-3 и 4 для выпуска отработавших газов и промывочной смеси, а также для впуска свежего воздуха для вхождения двигателя в термодинамический цикл фигуры 1;
на фиг. 19 дан вид в перспективе снизу статора фигуры 2, наглядно показывающий индивидуальные разделенные выпускные каналы для отработавших газов и для промывочной смеси, а также для всасывания наружного воздуха;
на фиг. 20 дан вид в перспективе двигателя по настоящему изобретению, где два выпускных канала фигур 18 и 19 являются промежуточными между двигателем и конечным каналом отвода выхлопных газов;
на фиг. 21 дан покомпонентный вид в перспективе ротора фигуры 2, выполненного в виде двух раздельных монтируемых деталей.
На всех фигурах идентичные детали обозначены одинаковыми номерами ссылок. На фиг. 1 согласно настоящему изобретению усовершенствованный эндотермический двигатель роторного типа со сдвоенным центральным ротором включает один статор, или корпус (А), имеющий, в свою очередь, центральный корпус статора (A1), боковую крышку (А2) и аналогичную противоположную боковую крышку (A3), которая не показана, а кроме того, ротор (В), который в свою очередь включает расширяющий элемент ротора (В1), сжимающий элемент ротора (В2) и шарнирный линейный элемент (В3), размещенный между указанными всасывающим (В1) и сжимающим (В2) элементами, которые разработаны в значительной степени в соответствии с техническим подходом, предложенным в уже упомянутых патентных заявках WO 2004/020791, WO 2010/031585 и BL2010A03, о чем подробнее сказано ниже.
Для упрощения представления приводной вал (80) показан только на фиг. 6, при этом имеется в виду, что на других фигурах он мысленно соединен через приемный канал с элементом всасывания (В1), который сообщает полезное вращение. Подразумевается, что указанный приводной вал (80) выполнен в значительной степени в соответствии с упомянутой патентной заявкой BL2010A03.
Также для упрощения представления конструкции статор (A1) в целом отображен как единый цельный корпус, имеющий камеры расширения (1) и сжатия (2) без учета других компонентов, описанных здесь далее. В действительности статор (A1) предпочтительно может быть реализован в виде двусоставного корпуса (А1'-A1''), как показано только на начальных фигурах 1-2 и на последних фигурах 19 и 20. Из названных фигур понятно, что согласно техническому решению стык между составными частями корпуса статора (А1'-A1'') предпочтительно проходит вдоль контура линии пересечения между полостью (1а) камеры (1) и выпуклостью (2а) камеры (2) статора (A1), что подробнее рассмотрено ниже. Понятно, что надежное соединение между половинами корпуса (А1') и (Α1'') статора (A1) может быть обеспечено достаточным количеством анкеров по известным технологиям.
Таким образом, на фиг. 6 показана одна из направляющих для скольжения элемента сжатия (В2) по соответствующей поверхности крышки статора (А2), а также - отверстие (64) канала ведущего вала (80) в этом же элементе (В2) и углубление (62), выполненное на боковых сторонах элемента упомянутого расширения (В1), что в значительной степени соответствует техническому решению упомянутого патента ЕР 1.154.139.
На фигурах 2-3-4 и 5 видно, что центральный корпус (A1) статора (А) имеет камеру (1) в форме почти полуцилиндра с вогнутой поверхностью (1а), преимущественно предназначенную для фазы расширения горящих газов, и противоположную камеру (2) в форме почти полуцилиндра с выпуклой поверхностью (2а), преимущественно предназначенную для фаз всасывания и сжатия воздуха для горения.
Рассматриваемые камеры (1-2) расположены вдоль пересекающей их плоскости (z) и пересекают ее вдоль прямоугольных плоскостей (х-y), отстоящих друг от друга на величину (s), о чем подробнее будет сказано позже.
В верхнем сечении между камерами (1 и 2), но большей частью в камере (2) расположена камера сгорания (8), соединенная с гнездом (7), где установлена запальная свеча или инжектор для образования искры фазы зажигания горючей смеси внутри указанной камеры (8). Примерно на нижнем пересечении указанных камер (1-2) статора (A1), но преимущественно вблизи камеры (1) выполнены цилиндрические гнезда (10-11) клапанов, соответственно - всасывающего (100) и выпускного (110), что подробно рассмотрено далее. Гнездо всасывания (10) сообщается с камерами (1-2) статора (A1) через прорезь (10а), проходящую через значительную часть ширины статора (A1). Гнездо выпуска (11) имеет вверху с двух сторон каналы (11a-11b) и центральный канал (11с), сообщающийся с камерой расширения (1) статора (A1), несколько смещенный в направлении точки пересечения с вертикальной плоскостью (х).
На фигурах 3-4 и 19 видно, что выпускное гнездо (11) сообщается с другими тремя каналами ниже (12а-12b и 12с). В частности, нижние боковые каналы (12а и 12b) совмещены с верхними каналами (11a-11b) гнезда выпускного клапана (11) и предназначены для отвода отработанных газов, поступающих из камеры расширения (1), в то время как нижний центральный канал (12с) совмещен с верхним каналом (11с) этой же выпускной камеры (11) и предназначен для отвода только омывающего воздуха, поступающего из той же камеры расширения (1), о чем подробнее сказано ниже. На фигурах 5 и 6, в частности, наглядно представлена основа настоящего изобретения - изогнутая форма внутренней поверхности (1а) камеры расширения (1) и внутренней поверхности (2а) камеры сжатия (2) статора (A1), соответствующая изогнутой геометрии внешней поверхности (В1') роторного элемента расширения (В1) и внешней поверхности (Β2') роторного элемента сжатия (В2). Из деталей фигуры 5 можно понять, что камера расширения (1) статора (A1) имеет вогнутую поверхность с внутренней стороны (1а) (углубленную в стенку камеры), а камера сжатия (2) статора имеет выпуклую поверхность с внутренней стороны (2а) (выступающую из стенки камеры), при этом указанные вогнутость и выпуклость выполнены с одинаковым дуговым профилем на одинаковую глубину, а также с учетом соответствующего радиуса достигаемого минимума и максимума относительно их соответствующих осей (х-y).
Из деталей фигуры 6 можно понять, что расширяющий элемент (В1) ротора имеет выгнутую внешнюю поверхность (В1') (выпуклую относительно поверхности), а компрессионный элемент (В2) ротора имеет вогнутую внешнюю поверхность (Β2') (углубленную относительно поверхности), при этом указанная выпуклость (Β2') и указанная вогнутость (В1') имеют одинаковые дуговой профиль и глубину, которые соответствуют профилю и глубине дуги внутренних поверхностей (1а и 2а) камер (1 и 2) статора (A1).
Благодаря согласованию профилей указанных глубин и указанных базовых радиусов боковых поверхностей (1а-2а) статора (A1) с аналогичными параметрами (В1') элемента расширения (В1) и боковых поверхностей (Β2') элемента сжатия (В2) очевидно, что скольжение и вращение элементов (В1-В2) внутри статора (A1) всегда проходит в условиях максимального прилегания в течение нескольких фаз термодинамического цикла, как проиллюстрировано на примерах фигур с 7 по 17, и как более подробно рассмотрено в дальнейшем.
Также очевиден тот факт, что глубина и форма дуг (1а-2а-В1' и В2'), если сравнивать с традиционным состоянием гладких и цилиндрических стенок существующих роторно-поршневых двигателей, обусловливают увеличение мощности двигателя при сбалансированных габаритах и колесной базе (s), или же при сбалансированных габаритах и достигаемой мощности обусловливают согласованное уменьшение колесной базы (s) между вертикальными плоскостями (х-y).
Из проиллюстрированного выше становится очевидно, что большим преимуществом настоящего технического решения при сбалансированной мощности является возможность значительного уменьшения колесной базы (s) с вытекающим из него сокращением длины хода шарнирного элемента (В3), существующей до сих пор и необходимой для обеспечения непрерывного скольжения поверхностей ротора (В1'-В2') вдоль поверхностей статора (1а-2а).
Такое сокращение хода шарнирного элемента (В3) способствует существенному уменьшению ускорений и замедлений при каждом одиночном ходе, что гарантирует снижение вибраций и повышение устойчивости работы двигателя.
В конечном счете, предлагаемое изобретение, в особенности - мощность и существенные габариты двигателя указанного типа, позволяют значительно снизить вибрацию, вызываемую длиной и резкими изменениями скорости перемещения элемента шарнирного соединения (В3), а следовательно - увеличить число оборотов ротора (В) при упрощении задач балансировки, что соответствует одной из поставленных целей.
Такие же ограничения колесной базы (s) позволят затем уменьшить в целом площадь фронтальной поверхности в плоскости вращения элемента расширения (BE) вокруг приводного вала (80) с возможностью значительного увеличения диаметра самого вала соответственно производительности двигателя, а следовательно - с возможностью совершенствования применяемых подшипников и направляющих вкладышей подшипников приводного вала (80), а также вращающихся элементов (В1-В2) на опоре или основании (А), что соответствует другой поставленной цели.
Обратившись, в частности, к фигурами 8 и 9, следует еще раз отметить, что благодаря цилиндрической форме стенок, принятой для предыдущих конструктивных решений двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием с двойным центром вращения наличие выпуклости (В1') элемента расширения (В1) внутри вогнутости (1а) камеры расширения статора (1) обусловливает значительное увеличение поверхности, толкаемой продуктами горения, особенно в момент максимальной энергии, вырабатываемой в запальной камере (8), что согласуется с еще одной поставленной целью.
Согласно конструктивному решению, представленному в примерах, в частности, на фигурах 2-6 и 18, всасывающий клапан (100) помещен в гнездо (10) статора (A1) и снабжен не показанной управляемой частью, соединенной с приводным валом (80) для получения вращательного движения в направлении, противоположном вращению ротора (В) и самого вала (80).
Всасывающий клапан (100) представляет собой, в основном, цилиндрическое тело (100b), снабженное цилиндрической выемкой, расположенное соосно с прорезью (10а) в статоре, предназначенное для всасывания в камеру всасывания (2) и сжатия наружного воздуха, поступающего через отверстия (9) в частях корпуса (А2 и A3) статора (A1), что подробнее рассмотрено дальше.
Согласно конструктивному решению, также представленному в примерах на фигурах 2-6 и 18, выпускной клапан (110) помещен в гнездо (11) статора (A1) и имеет не показанную управляемую часть, соединенную с приводным валом (80) для получения вращательного движения в направлении, противоположном вращению ротора (В) и самого вала (80).
Выпускной клапан (110) представляет собой, в основном, цилиндрическое тело (110е), снабженное двумя в значительной степени полуцилиндрическими боковыми вырезами (110а и 110b) и одним в значительной степени полуцилиндрическим центральным вырезом (110с), имеющим несколько иное угловое положение относительно вырезов (110а и 110b) и отделенным от них заслонками (110d и 110f).
Обратившись к фигурам 2-5 и 18, можно видеть, что за счет размещения и вращения клапана (100) внутри камеры всасывания (10), проточка (100а), находясь в положении, соосном с прорезью (10а) камеры сжатия (2), обеспечивает приток наружного воздуха в камеру всасывания (2), в то время как, находясь в любом другом положении, блокирует проникновение наружного воздуха через прорезь (10а). Вновь обратившись к фигурам 2-5, 18 и 19, можно видеть, что за счет размещения и вращения клапана (110) в гнезде выпуска (11) статора (A1) можно достичь совмещения его центрального выреза (110с) с центральными просветами каналов статора (11с и 12с), а при повороте этого клапана (110) на упомянутый минимальный угол можно альтернативно достичь совмещения боковых вырезов (110а-110b) клапана с верхними просветами каналов (11a-11b) статора и с нижними просветами каналов статора (12а-12b).
Как уже сказано, нижние боковые каналы (12а и 12b) предназначены для отведения отработанных газов, поступающих из камеры расширения (1) через просветы каналов (11a-11b) в верхней части, как показано на фиг. 11, в то время как нижний центральный канал (12с) предназначен для отведения из двигателя омывающего воздуха, поступающего из той же камеры расширения (1) через просвет центрального верхнего канала (11с), как показано на фиг. 12. В фазе зажигания и расширения ротора (В1), как и в фазе максимального сжатия воздуха для горения, цельная часть тела (110е) выпускного клапана (11) и тело элемента расширения (В1) препятствуют всасыванию в выпускные камеры (12а-12b и 12с), как показано на фигурах 7, 9 и 10.
Выпускной клапан (110) внутри выпускной камеры (11) для выполнения функции регулирования отвода отработанных газов и промывочной смеси получает вращательное движение, которое, как частота вращения, обусловлено механической связью этого клапана с приводным валом (80), что обеспечивает надлежащую синхронизацию различных фаз. Аналогичным образом всасывающий клапан (100) должен быть соединен с приводным валом (80), что обеспечивает правильное соотношение частоты вращения и синхронизацию фаз всасывания с термодинамическими фазами рассматриваемого двигателя. Регулирование частот вращения описываемых клапанов (100 и 110) относительно частоты вращения приводного вала (80) определяется передаточными числами, известными как таковыми, и подробнее здесь не рассматривается.
Описав основные компоненты двигателя, рассмотрим далее их рабочее взаимодействие с использованием видов вертикального сечения на фигурах 7-14 и видов поперечного сечения на фигурах 15-17.
Как уже говорилось, на фиг. 7 представлен вид рассматриваемого двигателя с изогнутыми стенками в последней фазе сжатия воздуха для горения в камере (2) ротора, когда посредством выемки (100а) клапана всасывания (100) инициируется забор наружного воздуха через канал (9) крышек корпуса (А2-A3) и поступление его через прорезь (10А) для циркуляции в объеме камер (1-2), не занятом элементами ротора (В1-В2), при этом закрытие выпускного клапана (100) предотвращает выход забранного воздуха через просветы каналов (11a-11b and 11с).
При достижении максимального сжатия горючей смеси посредством вращения элемента сжатия (В2) против часовой стрелки, как показано на фигурах 8-9 и 17, инициируется фаза взрыва горючей смеси в запальной камере (8) с помощью свечи зажигания или инжектора, установленных в гнезде (7). В течение этой фазы наружный воздух постоянно засасывается через проточку (100а) клапана (100) и через прорезь (10а) распространяется по всему объему камеры статора (1-2), не занятому изогнутой поверхностью скольжения роторных элементов сжатия (В2) и расширения (В1), при этом отвод через выпускной клапан (100) по-прежнему заблокирован.
Во время воспламенения горючей смеси внутри запальной камеры (8) выработанная энергия оказывает воздействие на переднюю поверхность роторного элемента расширения (В1), которое, как отмечено выше и как известно из уровня техники, возрастает за счет выпуклости поверхности (В1') этого элемента ротора (В1) и соответствующей вогнутости (1а) стенки статора (A1). За счет этого увеличивается поверхность толкания, особенно во время действия максимальной силы расширения, и, кроме того, обеспечивается больший объем расширения, компенсирующий увеличенный объем всасываемого и сжимаемого воздуха, который может быть накоплен в камере (2) статора (A1). На фигурах 10 и 15 показана полезная фаза (рабочего хода) в течение которой расширяющиеся в камере расширения (1) газообразные продукты сгорания топлива задают вращение элементу расширения (В1) и соединенного с ним не отображенного приводного вала (80), в то время как этот же элемент ротора (В1) и всасывающий клапан (100) закрывают прорезь (10а), препятствуя таким образом проникновению наружного воздуха в камеру всасывания (2).
На фигурах 11 и 16 показано окончание полезной фазы расширения роторного элемента (В1) и начало фазы отвода отработанных газов путем открытия секций (110а и 110b) клапана (110) и совмещения их с соответствующими верхними прорезями (11a-11b) и с нижними прорезями (12а-12b) для прохождения отработанных газов через коллектор (121) выхлопной трубы с глушителем (120). В этой фазе вращающийся в камере расширения (1) сжимающий элемент (В2) ротора толкает отработанные газы на выход, при этом одновременно ранее всосанный воздух подвергается сжатию вращающимся расширяющим элементом (В1) ротора внутри камеры (2) и в других свободных областях пространства камеры (1). На фиг. 12 вращение продолжается по инерции, при этом ротор расширения (В1) начинает сжимать воздух в камере (2), в то время как ротор сжатия (В2) толкает тот же воздух и остаточные газообразные продукты сгорания внутри камеры (1) для ее промывки. Ротор (В2) нагнетает смесь остаточных газов и омывающего воздуха к выходному каналу (12с) через отверстие центрального выпускного канала (11с) статора (A1) и через центральный вырез (110с) клапана (110).
На фигурах 19 и 20 видно, что каналы (12а и 12b) соединены с обычным глушителем (120) посредством, соответственно, двух выхлопных труб (121-122), в то время как центральный канал статора (12с) соединен с каталитическим глушителем (130) через промежуточную трубу (131). Смесь омывающего воздуха и отработанных газов, поступающая из камеры расширения (1), далее обрабатывается в глушителе с каталитическим дожигателем (130), после чего выводится через конечную выхлопную трубу (140), куда поступает по патрубку (141) и выбрасывается вместе с остатками отработанных газов, которые через патрубок (142) поступают в ту же конечную выхлопную трубу (140), пройдя сквозь обычный глушитель (120). Остатки газообразных продуктов сгорания и омывающего воздуха могут пройти дальнейшую очистку с помощью одного или более дополнительных обычных глушителей, устанавливаемых (120) перед конечной выхлопной трубкой (140). Затем реализуются наилучшие условия для отвода отработавших газов и промывочной смеси согласно одной из поставленных целей. На фиг. 13 показана происходящая одновременно с открытием прохода (11с-110с-12с) согласно фиг. 12 фаза закрытия верхних каналов (11а-11b) и нижних каналов (12а-12b) с помощью закрытой части (110е) выпускного клапана (110), посредством чего предотвращается выпуск напрямую промывочной смеси, присутствующей в камере (1), без прохождения через каталитический глушитель (122), как описано выше.
На фиг. 14 показано продолжение инерционного вращения ротора расширения (В1) в камере (1) и за счет этого - вращения ротора сжатия (В2) в камере (2), внутри которой с учетом продолжения фазы фигуры 13 достигается еще более высокое сжатие воздуха для горения, в то время как новая порция наружного воздуха начинает поступать в камеру (1), проходя через полость (100а) всасывающего клапана (100) и через канал (10а) для начала нового термодинамического цикла рассматриваемого двигателя, как уже описано ранее. Закрытие телом (110е) выпускного клапана (110) каналов (11а-11b и 11с) предотвращает выход и выпуск через нижние каналы (12а-12b-12с) воздуха, только что поступившего в камеру (1). Из описанных выше примеров становится очевидно, что наличие изогнутых внутренних поверхностей, в частности, вогнутой стенки (1а) в камере расширения (1) и выпуклой (2а) - в камере сжатия (2) статора (A1), совмещаемых с изогнутыми боковыми поверхностями, в частности, выпуклой (В1') - роторного элемента расширения (В1) и вогнутой (Β2') - роторного элемента сжатия (В2), притом что изогнутые поверхности (1а-2а-В1' и В2') имеют идентичные профили и размеры, обеспечивающие плотное прилегание при скольжении элементов ротора (В1 и В2) в ложах (1-2) статора (A1), определяет значительное увеличение объемов сжатия (1) и расширения (2), и, следовательно - мощности двигателя, если сравнивать аналогичные поверхности статора (A1) и элементов ротора (В1 и В2) более ранних технических решений, где отношение между сжимаемым (2) и расширяемым (1) объемами было прямо пропорционально расстоянию, или колесной базе (s), между осями (х-у) статора (A1), а также напрямую зависело от изменения радиуса, образующего камеру расширения (1), относительно радиуса, формирующего камеру сжатия (2).
В конечном счете, наличие арочных внутренних поверхностей (1а и 2а) камер (1 и 2) статора (A1) в сочетании с соответствующими дугообразными боковыми поверхностями (В1' и В2') элементов ротора (В1 и В2) позволяет осуществить двигатель, который при полной сбалансированности габаритных размеров и мощности имел бы сокращенное до минимума расстояние между камерами статора (1 и 2), что соответствует главной поставленной цели.
Сокращение до минимума указанного расстояния, или колесной базы, (s) дает возможность свести к минимуму разницу скоростей прямолинейного перемещения шарнирного элемента ротора (В3), соединяющего элементы ротора (В1 и В2), с последовательным уменьшением взаимных ускорений и замедлений, а следовательно - с возможностью значительного увеличения числа оборотов двигателя, что отвечает другой поставленной цели.
Наличие выпуклой боковой поверхности (В1') ротора расширения (В1) способствует увеличению его толкаемой поверхности по сравнению с предшествующим уровнем техники, особенно - в момент максимальной мощности, вырабатываемой вскоре после фазы зажигания смеси, что отвечает еще одной из поставленных целей.
Уменьшение расстояния (s) между осями (х-y) камер (1-2) статора (A1) далее позволяет применить приводной вал (80), который имел бы больший диаметр, пропорциональный мощности конкретного двигателя, а кроме того, обеспечивает возможность совершенствования компоновки опорных подшипников для него и боковой герметизации, что согласуется с другими поставленными целями.
Специальная конструкция клапанов всасывания (100) и выпуска (110), а также конфигурация каналов всасывания (10а) и выпуска (11а-11с и 12а-12b-12с) дает возможность раздельной обработки выхлопных газов и промывочной смеси двигателя в соответствии с еще одной заданной целью.
Безусловно, и как уже было отмечено, настоящее решение представлено лишь в качестве примера, но не с ограничительной целью. Так, допустим, сечения выпуклых (1a-Β1') и вогнутых (2а-В2') элементов могут иметь форму, отличную от проиллюстрированной здесь изогнутой конфигурации, например, V-образную или более близкую к прямоугольной, а всасывающий (10а) и выпускной (11а-11b-11с и 12а-12b-12с) просветы могут иметь иную геометрию или расположение применительно к спрямленным вариантам осуществления.
Предусмотрена возможность устройства комплексного управления серией клапанов всасывания (100) и выпуска (110), например, в корпусе статора (A1), включающего два или больше вращающихся элементов (В), надлежащим образом синхронизированных за счет раздачи от одного приводного вала (80).
На фиг. 21 представлен дополнительный вариант реализации статора (A1) в корпусе из двух компонентов (А1'-A1''), совмещаемых в зависимости от конструктивного решения по примеру фигур 1-2-19 и 20, где сопрягаемые стороны расположены под прямым углом к сечению между вогнутой поверхностью (1а) корпуса (А1') и выпуклой поверхностью (2а) смежного корпуса (Α1'), при этом возможны друге версии компоновки конструктивных элементов статора (A1).
Однако подразумевается, что эти и подобные модификации или усовершенствования входят в объем признаков новизны данного изобретения, подлежащий защите.
Далее представлены предпочтительные варианты реализации изобретения.
1. Система эндотермического роторного двигателя с двойным центром вращения, термодинамически и механически оптимизированная за счет изогнутых стенок и раздельного отвода выхлопных газов, в составе которой боковые поверхности вращающихся элементов и соответствующие внутренние поверхности вмещающего корпуса имеют специфическую конфигурацию, включающую вогнутости и выпуклости, способствующие созданию идеального соотношения между расширением и сжатием объемов, что позволяет уменьшить пространство между осями сжимающего и расширяющего элементов ротора, как соответствующее межосевому рабочему объему статора или корпуса в целом, по сравнению с равнозначным по габаритам двигателем с плоскими, неизогнутыми, поверхностями, кроме того, система выполнена с возможностью различного и раздельного отвода отработанных газов, благодаря чему создается преимущество задействования двух раздельных и последовательных фаз вывода выхлопных газов и чистки двигателя, что увеличивает эффективность.
2. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения, оптимизированный за счет арочной конструкции стенок и раздельного выхлопа согласно предыдущему абзацу 1, в состав которого в основном включен один статор, или корпус, (А), собранный из центрального статора (A1) и боковых противолежащих крышек (А2, A3), а также который содержит ротор (В), собранный из роторного элемента расширения (В1), роторного элемента сжатия (В2) и линейно (возвратно-поступательно) перемещающегося элемента (В3), сочленяющего элемент расширения (В1) и элемент сжатия (В2), при этом центральный корпус (A1) статора (А) имеет полуцилиндрическую камеру (1), предназначенную преимущественно для прохождения фазы расширения сгорающих газов, и противоположную полуцилиндрическую камеру (2), предназначенную преимущественно для фазы сжатия воздуха для горения, из которых обе камеры (1, 2) имеют изогнутые поверхности (1а, 2а), также как изогнутые боковые поверхности (В1' и В2') имеют элемент расширения (В1) и элемент сжатия (В2).
3. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения по одному из или более параграфов 1 и 2, в составе которого вблизи основания пересечения вогнутой стенки (1а) арочной камеры (1) и выпуклой стенки (2а) арочной камеры (2) статора (A1) расположены цилиндрические гнезда (10-11) соответственно предназначенные для размещения клапана всасывания (100) и клапана разгрузки (110), из которых гнезда всасывания (10) сообщается с камерой (1-2) статора (A1) посредством продольной проточки (10а) петлеобразного сечения, вытянутой на большую часть ширины основания статора (A1), в то время как гнездо разгрузки статора (11) имеет два верхних боковых канала (11a, 11b) и терминал (11с), сообщающийся с камерой расширения (1) статора (A1) и называемый центральным каналом (11с), который при этом несколько смещен относительно каналов (11а-11b) для образования задержки при синхронизации с вращением ротора (В).
4. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения по одному из или более параграфов 1-3, в составе которого гнездо разгрузки (11) статора, или корпуса, (A1) сообщается посредством вырезов (110а-110b) в выпускном клапане (110) с другими тремя нижними каналами (12а-12b и 12с), из которых нижние боковые каналы (12а и 12b) совмещены с и продолжают верхние боковые каналы (11а, 11b) разгрузочного гнезда (11) и предназначены для отвода отработанных газов, поступающих из камеры расширения (1), в то время как центральный нижний канал (12с) совмещен с и продолжает верхний центральный канал (11с) этого же разгрузочного гнезда (11) через вырез (110с) клапана (110) и предназначен для отвода воздуха и отработанных газов фазы промывки из той же камеры расширения (1).
5. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения, усовершенствованный за счет арочной конструкции стенок и раздельного выхлопа, по одному из или более параграфов 1-4, в составе которого внутренняя поверхность камеры расширения статора (1) имеет вогнутую форму (1а) и пересекается с выпуклой поверхностью (2а) камеры сжатия статора (2), причем профиль, глубина и конфигурация сводчатых стенок (1а, 2а) может видоизменяться в зависимости от назначения цилиндра и соответственно форме дуг (В1' и В21) вращающихся элементов (В1, В2).
6. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения по одному из или более параграфов 1-5, в составе которого роторный элемент расширения (В1) имеет выпуклую боковую поверхность (В1'), профиль которой повторяет вогнутый профиль (1а) камеры расширения статора (1) и имеет глубину, соответствующую выпуклости (В1'), во избежание противодействия профилю статора (2а) при вращении внутри камеры сжатия (2)·
7. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения по одному из или более параграфов 1-6, в котором роторный элемент сжатия (В2) имеет вогнутую боковую поверхность, профиль которой (Β2') повторяет профиль стенки (2а) камеры сжатия (2).
8. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения по одному из или более параграфов 6 и 7, в котором углубление (Β2') повторяет поверхность (2а) камеры сжатия статора (2) и взаимодействует с вогнутой поверхностью (1а), формируя объемы пространства камеры расширения (1).
9. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения по одному из или более параграфов 1-8, в котором элемент расширения (В1) имеет изогнутую боковую поверхность (В1'), профиль которой совпадает с профилем поверхности камеры (1а) статора (1), для формирования объемов пространства камеры сжатия (2) во встречном взаимодействии с профилем статора (2а).
10. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения по одному из или более параграфов 1-9, в конструкцию которого благодаря согласованию арочных профилей (1а, 2а, В1' и В2') и при равнозначности компрессии и расширения можно вносить изменения, связанные с уменьшением расстояния (s) между плоскостями сечения (х, y), соблюдая принцип равенства величин или подобия образуемых радиусов (r1) и (r2) соответствующих рабочих камер (1) и (2) с сохранением габаритов и конфигурации корпуса статора (A1).
11. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения по одному или более параграфов 1-10, в конструкции которого глубина и согласование арочных профилей (1а, 2а, В1' и В2') позволяют увеличивать объем цилиндра и мощность двигателя при сохранении момента силы и колесной базы (s), или при сохранении момента силы и необходимой частоты вращения или мощности позволяет значительно уменьшить колесную базу (s) между плоскостями сечения (х, y).
12. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения по одному или более параграфов 1-11, в конструкции которого при арочном решении компоновки статора (A1) баланс между объемами сжатия (2) и расширения (1) определяется расчетным балансом величин соответствующих образуемых радиусов (r2, r1).
13. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения, усовершенствованный за счет изогнутых стенок и раздельного отвода выхлопных газов по одному из или более параграфов 1-12, в составе которого всасывающий клапан (100) размещен в гнезде (10) статора и снабжен проточкой (100а) для инициации и сглаживания фазы впуска и прохождения наружного воздуха в камеру статора (2) и (1) через канал статора (10а).
14. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения по одному из или более параграфов 1-13, в составе которого выпускной клапан (110), расположенный в гнезде статора (11), снабжен двумя боковыми вырезами (110а, 110b), которые при вращении клапана (110) совмещаются с верхними каналами статора (11а, 11b) и с нижними каналами статора (12а, 12b) для отвода только отработанных газов, отходящих из камеры расширения (1).
15. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения по одному из или более параграфов 1-14, в составе которого выпускной клапан (110) снабжен центральным вырезом (110с), который при вращении клапана (110) внутри гнезда статора (11) совмещается с отстоящим верхним каналом статора (11с) и с нижним просветом (12с) для отвода промывочных газов из камеры расширения (1) перед началом нового термодинамического цикла работы двигателя.
16. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения по одному из или более параграфов 1-15, характеризующийся тем, что фазы отвода отработанных газов и промывочной смеси разделены между собой за счет последовательного открытия и закрытия выпускным клапаном (110) размещенных в нижней части камеры расширения (1) и в месте ее пересечения с противоположной камерой всасывания (2) статора, или корпуса (А), двух каналов (11а, 11b) для отвода выхлопных газов и отдельного канала (11с) для отвода промывочной смеси.
17. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения по одному из или более параграфов 1-16, в котором отвод выхлопных газов предшествует отводу промывочной смеси, притом что предусмотрена возможность одновременного протекания двух фаз за счет времени прохождения некоторой промывочной смеси через камеру расширения (1), причем, в случае подобного мощного такта выпуска предусмотрена возможность открытия также отверстий (9) в крышках статора (А2-A3).
18. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения по одному из или более параграфов 1-17, в котором предусмотрена возможность отвода отработанных газов и смеси газов с помощью других типов клапанов (110), также работающих раздельно и в соответствующих гнездах (110а, 110b) и (110с), одни - для выброса выхлопных газов, другие- для отвода газовоздушной смеси, одновременно или поочередно, также - с возможностью задействования клапанов на крышках (А2-A3), однако при этом - с соблюдением разделения по времени и последовательности двух возможных фаз отвода отработавших газов.
19. Эндотермический роторный двигатель с двойным центром вращения по одному из или более параграфов 1-18, в составе которого статор, или корпус, (A1) может быть выполнен в двухкомпонентном корпусе (А1') и (Α1') с предпочтительным прохождением соединительного шва по линии соприкосновения вогнутой стенки (1а), целиком входящей в состав корпуса (А1'), и выпуклой стенки (2а), целиком входящей в состав корпуса (Α1').
Реферат
Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания роторного типа с искровым зажиганием с двойным центром вращения. Двигатель включает статор, имеющий центральный корпус статора (A1), первую боковую крышку (А2) и вторую боковую крышку. Корпус статора (A1) включает камеру расширения и камеру сжатия, а также запальную камеру в верхней части камер, ротор (В) с роторным элементом расширения (В1), роторным элементом сжатия (В2) и шарнирным линейным элементом (В3), установленным между указанными роторным элементом расширения (В1) и роторным элементом сжатия (В2). Ротор (В) размещен в камерах расширения и сжатия центрального корпуса статора (A1), где камера расширения имеет вогнутую внутреннюю поверхность, а камера сжатия имеет выпуклую внутреннюю поверхность. Изобретение направлено на обеспечение максимального использования мощности путем использования лучшего соотношения между объемами расширения и сжатия при сбалансированности габаритов и мощности двигателя. 10 з.п. ф-лы, 21 ил.
