Способ осуществления рабочего цикла роторного двигателя внутреннего сгорания и устройства для его реализации

Изобретение относится к области машиностроения и, в частности, к двигателестроению. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что в способе осуществления рабочего цикла двигателя заполняют камеру, нагнетая и сжимая в ней топливовоздушную смесь, заполнившую рабочую камеру в предыдущем цикле, воспламеняют топливовоздушную смесь и расширяющимися газами в другой рабочей камере давят на лопасть, обеспечивая ее рабочий ход, вытесняя отработанные газы предыдущего цикла. Камеру сгорания выполняют в виде цилиндрического стакана, разделенного перегородкой на две секции. Нагнетают топливовоздушную смесь в одну секцию камеры сгорания, поворачивают камеру сгорания на 180 градусов и воспламеняют топливовоздушную смесь в упомянутой секции камеры сгорания. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и, в частности, к двигателестроению.

Известен способ осуществления рабочего цикла роторного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), при котором путем перемещения лопасти в рабочей камере заполняют свежим зарядом топливовоздушной смеси часть этой рабочей камеры, при этом в другой ее части сжимают топливовоздушную смесь, заполнившую рабочую камеру в предыдущем цикле. Используя систему каналов в статоре и роторе, перемещают сжатую топливовоздушную смесь в другую рабочую камеру, часть которой в данный момент используют в качестве камеры сгорания, воспламеняют топливовоздушную смесь и расширяющимися газами давят на лопасть, обеспечивая ее рабочий ход, при этом вытесняя из этой, другой рабочей камеры отработанные газы предыдущего цикла, US 4401070.

Недостатком этого способа является то обстоятельство, что часть воспламененной смеси возвращается в зону сжатия, используя те же упомянутые каналы в статоре и роторе, что снижает эффективность этого способа.

Известен также способ осуществления рабочего цикла роторного ДВС, при котором путем перемещения лопасти в одной рабочей камере заполняют ее свежим зарядом топливовоздушной смеси, при этом в камеру сгорания нагнетая и сжимая в ней топливовоздушную смесь, заполнившую рабочую камеру в предыдущем цикле, воспламеняют топливовоздушную смесь и расширяющимися газами в другой рабочей камере давят на лопасть, обеспечивая ее рабочий ход, при этом вытесняя отработанные газы предыдущего цикла, причем используют камеру сгорания, выполненную в виде цилиндрического стакана, в которую нагнетают, сжимая, топливовоздушную смесь, поворачивают камеру сгорания и воспламеняют в ней топливовоздушную смесь (патент США №1745682, 04.02.1930).

Данный способ осуществления рабочего цикла роторного ДВС принят за прототип настоящего изобретения.

Недостатком прототипа является то, что камеру сгорания непрерывно поворачивают, вращая ротор. При этом уменьшают площадь окна камеры сгорания и, следовательно, ухудшают условия для нагнетания и сжатия топливовоздушной смеси, а также для расширения воспламененных газов.

Задачей настоящего изобретения в части способа является увеличение степени сжатия топливовоздушной смеси и повышение эффективности ее использования.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что рабочий цикл в роторном ДВС осуществляется вследствие того, что путем перемещения лопасти в одной рабочей камере заполняют ее свежим зарядом топливовоздушной смеси, при этом в камеру сгорания нагнетая и сжимая в ней топливовоздушную смесь, заполнившую рабочую камеру в предыдущем цикле, воспламеняют топливовоздушную смесь и расширяющимися газами в другой рабочей камере давят на лопасть, обеспечивая ее рабочий ход и вытесняя отработанные газы предыдущего цикла, при этом новым является то, что используют камеру сгорания, выполненную в виде цилиндрического стакана, разделенного перегородкой на две секции, нагнетают, сжимая, топливовоздушную смесь в одну секцию камеры сгорания, поворачивают камеру сгорания на 180 градусов и воспламеняют топливовоздушную смесь в упомянутой секции камеры сгорания, причем для поворота камеры сгорания используют взаимодействующие между собой полюса кольцевых магнитов.

Заявителем не выявлены решения, идентичные настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Благодаря осуществлению отличительных признаков настоящего изобретения в совокупности с признаками, приведенными в ограничительной части формулы изобретения, достигаются новые важные свойства заявленного объекта. Каждой лопастью сжимают топливовоздушную смесь из всего объема рабочей камеры, значительно увеличивая степень сжатия топливовоздушной смеси; исключают перемешивание свежего заряда топливовоздушной смеси с отработанными газами, так как, используя взаимодействующие полюса кольцевых магнитов, камеру сгорания поворачивают на 180 градусов, и вследствие этого свежий заряд топливовоздушной смеси нагнетают в одну секцию камеры сгорания, а воспламеняют топливовоздушную смесь в этот момент в другой секции камеры сгорания.

В результате значительно повышается эффективность рабочего цикла.

Указанные обстоятельства обусловливают, по мнению заявителя, соответствие настоящего изобретения критерию «изобретательский уровень».

Для реализации способа по настоящему изобретению использована двухсекционная камера сгорания. Известна двухсекционная камера сгорания, выполненная в виде цилиндрического стакана, разделенного перегородкой на две секции, в каждой из которых выполнены окна, и установленная в статоре с возможностью вращения (международная заявка WO 93/16273, 19.08.93).

Данное техническое решение принято за прототип устройства настоящего изобретения.

Недостатком прототипа является то, что камера сгорания снабжена поворотным устройством для обеспечения ее непрерывного вращения при вращении ротора. При этом из геометрических соображений уменьшается площадь окна камеры сгорания и, следовательно, ухудшаются условия для нагнетания и сжатия топливовоздушной смеси, а также для расширения воспламененных газов.

Задачей изобретения является увеличение степени сжатия топливовоздушной смеси в камере сгорания и достижение более полного использования энергии сжатых газов в работе роторного ДВС.

Поставленная задача решается за счет того, что камера сгорания для роторного ДВС выполнена в виде цилиндрического стакана, разделенного перегородкой на две секции, в каждой из которых выполнены окна, при этом новым является то, что камера сгорания имеет цилиндрическую поверхность, используемую для зацепления с поворотным устройством, имеющим взаимодействующие между собой своими полюсами кольцевые магниты, один из которых укреплен на валу двигателя, а другой - на промежуточном валу, находящимся в контакте с камерой сгорания. Упомянутая цилиндрическая поверхность камеры сгорания может быть зацеплена с поворотным устройством посредством фрикционного или зубчатого зацепления.

Заявителем не выявлены технические решения, идентичные настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Благодаря использованию нового устройства достигаются важные новые свойства роторного ДВС в целом. Каждая лопасть сжимает полный объем рабочей камеры, таким образом заявленное устройство обеспечивает большую степень сжатия рабочей смеси.

В результате достигается более полное использование энергии сжатых газов, что обеспечивает увеличение коэффициента полезного действия роторного ДВС.

Указанные обстоятельства обусловливают, по мнению заявителя, соответствие настоящего изобретения критерию «изобретательский уровень».

Для реализации способа и устройства по настоящему изобретению предлагается роторный ДВС.

Известен роторный ДВС, включающий статор, коаксиальные цилиндрические трубчатые элементы, между которыми размещены кольцевые элементы с обращенными друг к другу эквидистантными поверхностями, образованными в виде совокупности ступенчато сопряженных плоскостей; устройство также имеет ротор с лопастями, установленный на валу. Рабочая камера находится между эквидистантными поверхностями кольцевых элементов и коаксиальными поверхностями цилиндров. Часть рабочей камеры в определенный момент выполняет функцию камеры сгорания, US 4401070.

Недостатком устройства является то обстоятельство, что часть воспламененной смеси возвращается в зону сжатия, что обусловливает низкий коэффициент полезного действия (КПД). Кроме того, устройство весьма сложно по конструкции и в изготовлении ввиду наличия внутренних каналов в роторе и статоре.

Более простую конструкцию имеет роторный ДВС по указанному выше патенту США №1745682, содержащий установленный на валу ротор с пазами, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены лопасти, камеры сгорания, статор, включающий коаксиальные цилиндрические трубчатые элементы, соответственно, большего и меньшего диаметров, между которыми размещены кольцевые элементы с волнообразными поверхностями, образующими гребни и впадины, при этом волнообразные поверхности обращены друг к другу, эквидистантны и совместно с наружной поверхностью цилиндрического трубчатого элемента меньшего диаметра, внутренней поверхностью цилиндрического трубчатого элемента большего диаметра и поверхностью ротора образуют рабочие камеры, причем в гребнях кольцевых элементов с волнообразными поверхностями с чередованием через один гребень выполнены впускные и выпускные каналы, причем камеры сгорания выполнены в виде цилиндрических стаканов, установленных с возможностью вращения в свободных от впускных и выпускных каналов гребнях кольцевых элементов с волнообразными поверхностями, при этом в камере сгорания выполнено окно, а в кольцевых элементах с волнообразными поверхностями в зоне упомянутого окна выполнены, соответственно, нагнетательное и выпускное отверстия (патент США №1745682, 04.02.1930).

Данное техническое решение принято за прототип устройства настоящего изобретения.

Недостатком прототипа является низкий КПД. Это объясняется наличием сложной системы каналов и, следовательно, повышенным сопротивлением при нагнетании топливовоздушной смеси в камеры сгорания и выходе из них расширяющихся газов в рабочие камеры.

Задачей настоящего изобретения является повышение коэффициента полезного действия роторного двигателя внутреннего сгорания.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в роторном ДВС, содержащем установленный на валу ротор с пазами, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены лопасти, камеры сгорания, статор, включающий коаксиальные цилиндрические трубчатые элементы, соответственно, большего и меньшего диаметров, между которыми размещены кольцевые элементы с волнообразными поверхностями, образующими гребни и впадины, при этом волнообразные поверхности обращены друг к другу, эквидистантны и совместно с наружной поверхностью цилиндрического трубчатого элемента меньшего диаметра, внутренней поверхностью цилиндрического трубчатого элемента большего диаметра и поверхностью ротора образуют рабочие камеры, причем в гребнях кольцевых элементов с волнообразными поверхностями с чередованием через один гребень выполнены впускные и выпускные каналы, новым является то, что камеры сгорания выполнены в виде цилиндрических стаканов, разделенных перегородками на две секции, установленных с возможностью вращения в свободных от впускных и выпускных каналов гребнях кольцевых элементов с волнообразными поверхностями, при этом в каждой секции камеры сгорания выполнено окно, а в кольцевых элементах с волнообразными поверхностями в зоне упомянутых окон выполнены, соответственно, нагнетательное и выпускное отверстия, причем на валу двигателя укреплен кольцевой магнит, взаимодействующий своими полюсами с полюсами кольцевых магнитов, закрепленных на промежуточных валах, зацепленных с камерами сгорания. Камеры сгорания могут быть прижаты пружинами к поверхностям контакта с кольцевыми элементами с волнообразными поверхностями.

Заявителем не выявлены технические решения, идентичные настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Благодаря реализации отличительных признаков настоящего устройства в совокупности с признаками, приведенными в ограничительной части формулы изобретения, достигаются важные новые свойства заявленного объекта. Каждая лопасть сжимает полный объем рабочей камеры, таким образом, заявленное устройство имеет большую степень сжатия рабочей смеси.

В результате повышается коэффициент полезного действия устройства.

Указанные обстоятельства обусловливают, по мнению заявителя, соответствие настоящего изобретения критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:

на фиг.1 - разрез роторного ДВС по оси ротора;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2;

на фиг.4 - сечение общего вида камеры сгорания.

Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит статор 1 (фиг.1), включающий коаксиальные цилиндрические трубчатые элементы 2 и 3, между которыми размещены кольцевые элементы 4 и 5 с волнообразными поверхностями, образующими гребни 6 и впадины 7 (фиг.3). Волнообразные поверхности кольцевых элементов обращены друг к другу и эквидистантны. На валу 8 установлен ротор 9 с пазами 10, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены лопасти 11 с уплотнениями 12 по концам. Волнообразные поверхности кольцевых элементов совместно с наружной поверхностью цилиндрического элемента 3 меньшего диаметра, внутренней поверхностью цилиндрического трубчатого элемента 2 большего диаметра и поверхностью ротора 9 образуют рабочие камеры 13. В гребнях 6 кольцевых элементов 4 и 5 с чередованием через один гребень выполнены впускные 14 и выпускные 15 каналы. Камеры 16 сгорания выполнены в виде полых цилиндрических стаканов, разделенных перегородками на две секции 17 и 18. Камеры сгорания 16 в виде полых цилиндрических стаканов установлены с возможностью вращения в свободных от впускных и выпускных каналов гребнях кольцевых элементов 4 и 5 с волнообразными поверхностями. Каждая секция камеры сгорания имеет окно 19. В кольцевых элементах 4 и 5 в зоне окон 19 выполнены нагнетательные отверстия 20 и выпускные отверстия 21. На валу 8 (фиг.1, 2) укреплены кольцевые магниты 22, а на промежуточных валах 23 - кольцевые магниты 24 и зубчатые колеса 25, находящиеся в контакте с камерами сгорания 16. Камеры сгорания 16 (фиг.1, 3) пружинами 26 плотно прижаты к поверхностям контакта с кольцевыми элементами 4 и 5 с волнообразными поверхностями в зоне нагнетательных 20 и выпускных 21 отверстий. В зоне гребней, не занятых впускными и выпускными каналами, установлены свечи 27 зажигания. На фиг.4 показан общий вид камеры сгорания 16. Чтобы показать секции 17 и 18 камеры сгорания, выполнены сечения боковой поверхности вертикальной плоскостью и верхней поверхности - горизонтальной плоскостью. Цилиндрическую поверхность 28 можно использовать для фрикционного зацепления с поворотным устройством или для насадки зубчатого колеса, чтобы использовать зубчатую передачу с зубчатым колесом 25 для вращения камеры сгорания, как показано в конкретном случае на фиг.1 и фиг.2.

Пуск роторного ДВС осуществляется посредством стартера, на чертежах не показан.

Ротор 9 вращается в направлении по часовой стрелки (фиг.2), что соответствует его направлению движения вниз на фиг.1 и фиг.3, показанному стрелками.

При вращении ротора 9 за лопастью 11 в рабочей камере 13 создается разряжение, и через впускной канал 14 рабочая камера 13 заполняется свежим зарядом топливовоздушной смеси. Одновременно лопастью 11 сжимается свежий заряд топливовоздушной смеси, заполнивший рабочую камеру 13 в предыдущем цикле и находящийся перед лопастью. Этот заряд через нагнетательное отверстие 20 и окно 19 заполняет секцию 17 камеры сгорания 16. При дальнейшем вращении ротора 9 лопасть 11 перемещается за гребень 6 кольцевого элемента 5 с волнообразной поверхностью. В конкретном примере для поворота камеры сгорания используют кольцевые магниты 22 и 24. При этом к северному полюсу кольцевого магнита 24 приближается южный полюс кольцевого магнита 22, при взаимодействии которых промежуточный вал 23 и зубчатое колесо 25 поворачиваются на 180 градусов и вместе с ними на 180 градусов поворачивается камера сгорания 16, находящаяся в зацеплении с зубчатым колесом 25. Поворот камеры сгорания 16 осуществляется на 180 градусов к моменту достижения лопастью 11 положения за гребнем 6 и выпускным отверстием 21 кольцевого элемента 5, при этом секция 17 камеры сгорания 16 занимает положение, которое занимала секция 18. В секции 17 воспламеняется посредством свечи 27 сжатая топливовоздушная смесь; сгоревшая смесь расширяется, проходя через окно 19 и выпускное отверстие 21 в рабочую камеру 13, оказывая давление на лопасть 11. Лопасть 11 передает через стенки паза 10 усилие ротору 9, который продолжает вращение в заданном направлении, перемещая лопасть 11 в положение следующей лопасти 11, вытесняет отработавшие газы предыдущего рабочего цикла через выпускной канал 15. В конкретном примере герметичность в рабочих камерах 13 обеспечивается подпружиненными уплотнениями 12, размещенными по концам лопастей 11. При дальнейшем вращении ротора 9 и прохождении лопастью 11 нижнего гребня 6 кольцевого элемента 5 с волнообразной поверхностью один полный рабочий цикл в правой половине роторно-лопастного ДВС завершается и начинается второй рабочий цикл, полностью повторяющий первый и т.д. При вращении ротора 9 лопасти 11 вращаются вместе с ним и одновременно совершают возвратно-поступательные движения между кольцевыми элементами 4 и 5. В левой и правой половинах роторного ДВС рабочие циклы протекают одинаково, но со смещением во времени, обусловленным соответствующим смещением рабочих камер 13, впускных 14 и выпускных 15 каналов и камер сгорания 16.

Принимая заявленную конструкцию за единичный модуль, можно увеличивать мощность роторного ДВС, объединяя на одном валу несколько модулей.

Роторный ДВС по настоящему изобретению прост в реализации и в обслуживании, так как имеет небольшое количество деталей. В нем значительно снижен удельный расход топлива, что повышает экологию при его эксплуатации. В роторном ДВС по настоящему изобретению значительно уменьшены вибрации и шумы. Изложенное свидетельствует о том, что роторный ДВС по настоящему изобретению может быть использован в автомобилестроении, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "промышленно применимо".

1. Способ осуществления рабочего цикла роторного двигателя внутреннего сгорания, при котором путем перемещения лопасти в одной рабочей камере заполняют ее свежим зарядом топливовоздушной смеси, при этом в камеру сгорания, нагнетая и сжимая в ней топливовоздушную смесь, заполнившую рабочую камеру в предыдущем цикле, воспламеняют топливовоздушную смесь и расширяющимися газами в другой рабочей камере давят на лопасть, обеспечивая ее рабочий ход, при этом вытесняя отработанные газы предыдущего цикла, отличающийся тем, что используют камеру сгорания, выполненную в виде цилиндрического стакана, разделенного перегородкой на две секции, нагнетают, сжимая, топливовоздушную смесь в одну секцию камеры сгорания, поворачивают камеру сгорания на 180° и воспламеняют топливовоздушную смесь в упомянутой секции камеры сгорания, причем для поворота камеры сгорания используют взаимодействующие между собой полюса кольцевых магнитов.

2. Камера сгорания для роторного двигателя внутреннего сгорания, выполненная в виде цилиндрического стакана, разделенного перегородкой на две секции, в каждой из которых выполнены окна, отличающаяся тем, что она имеет цилиндрическую поверхность, используемую для зацепления с поворотным устройством, имеющим взаимодействующие между собой своими полюсами кольцевые магниты, один из которых укреплен на валу двигателя, а другой - на промежуточном валу, находящемся в контакте с камерой сгорания.

3. Камера по п.2, отличающаяся тем, что цилиндрическая поверхность камеры зацеплена с поворотным устройством посредством фрикционного зацепления.

4. Камера по п.2, отличающаяся тем, что цилиндрическая поверхность камеры зацеплена с поворотным устройством посредством зубчатого зацепления.

5. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий установленный на валу ротор с пазами, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены лопасти, камеры сгорания, статор, включающий коаксиальные цилиндрические трубчатые элементы соответственно большего и меньшего диаметров, между которыми размещены кольцевые элементы с волнообразными поверхностями, образующими гребни и впадины, при этом волнообразные поверхности обращены друг к другу, эквидистантны и совместно с наружной поверхностью цилиндрического трубчатого элемента меньшего диаметра, внутренней поверхностью цилиндрического трубчатого элемента большего диаметра и поверхностью ротора образуют рабочие камеры, причем в гребнях кольцевых элементов с волнообразными поверхностями с чередованием через один гребень выполнены впускные и выпускные каналы, отличающийся тем, что камеры сгорания выполнены в виде цилиндрических стаканов, разделенных перегородками на две секции, установленных с возможностью вращения в свободных от впускных и выпускных каналов гребнях кольцевых элементов с волнообразными поверхностями, при этом в каждой секции камеры сгорания выполнено окно, а в кольцевых элементах с волнообразными поверхностями в зоне упомянутых окон выполнены соответственно нагнетательное и выпускное отверстия, причем на валу двигателя укреплен кольцевой магнит, взаимодействующий своими полюсами с полюсами кольцевых магнитов, закрепленных на промежуточных валах, зацепленных с камерами сгорания.

6. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что камеры сгорания прижаты пружинами к поверхностям контакта с кольцевыми элементами с волнообразными поверхностями.