Двигатель (варианты)
Изобретение относится к двигателям. Двигатель содержит первую торцевую стеночную часть, вторую торцевую стеночную часть, первый подвижный элемент и второй подвижный элемент. Вторая торцевая стеночная часть отстоит от первой торцевой стеночной части для образования, по меньшей мере, частично камеры высокого давления между ними. Первый подвижный элемент в рабочем положении расположен между первой и второй торцевыми стеночными частями и имеет первую кромочную часть и первую цилиндрическую поверхность. Второй подвижный элемент в рабочем положении расположен между первой и второй торцевыми стеночными частями и имеет вторую кромочную часть и вторую цилиндрическую поверхность. Первая кромочная часть первого подвижного элемента выполнена с возможностью скольжения по второй цилиндрической поверхности второго подвижного элемента, а вторая кромочная часть второго подвижного элемента выполнена с возможностью скольжения по первой цилиндрической поверхности первого подвижного элемента, когда первый подвижный элемент поворачивается вокруг первой оси вращения, а второй подвижный элемент поворачивается вокруг второй оси вращения. Техническим результатом является создание двигателя. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 41 ил.
Изобретение относится в основном к двигателям, насосам и подобным устройствам, в частности к двигателям внутреннего сгорания.
Эффективность двигателей внутреннего сгорания часто выражается как тепловой коэффициент полезного действия, который является критерием способности двигателя преобразовывать энергию топлива в механическую энергию. Обычные двигатели внутреннего сгорания с совершающими возвратно-поступательное движение поршнями в типичном случае имеют относительно низкие тепловые коэффициенты полезного действия. Обычные автомобильные двигатели, например, в типичном случае имеют тепловые коэффициенты полезного действия, составляющие приблизительно 0,25, что означает, что приблизительно семьдесят пять процентов энергии топлива при работе двигателя теряются. Более конкретно, приблизительно сорок процентов энергии топлива уходит через выхлопную трубу как отходящее тепло, в то время как другие тридцать пять процентов поглощаются системой охлаждения (то есть хладагентом, маслом и окружающим воздушным потоком). В результате этих потерь только приблизительно двадцать пять процентов энергии топлива преобразуются в полезную мощность для движения автомобиля и работы вспомогательных систем (например, систем подзарядки аккумулятора, систем охлаждения, систем рулевого управления с усилителем и т.д.).
Существует множество причин такой неэффективности обычных двигателей внутреннего сгорания. Одна причина состоит в том, что головка цилиндра и стенки камеры сгорания поглощают тепловую энергию от воспламененного топлива, но не совершают работу. Другая причина состоит в том, что воспламененная доза топлива только частично расширяется до вытеснения из камеры сгорания при относительно высоких температуре и давлении в ходе такта выпуска. Еще одна причина состоит в том, что поршневые двигатели с возвратно-поступательным движением производят очень небольшой вращающий момент при большей части хода поршня из-за геометрической зависимости между совершающим возвратно-поступательное движение поршнем и вращающимся коленчатым валом.
Хотя были сделаны некоторые продвижения в области технологии поршневого двигателя, представляется, что практические пределы эффективности поршневого двигателя уже достигнуты. Средняя экономия топлива новых автомобилей, например, увеличилась только на 2,3 мили на галлон за последние 20 лет или около этого. Более конкретно, средняя экономия топлива новых автомобилей увеличилась с 26,6 миль на галлон в 1982 году только до 28,9 мили на галлон в 2002 году.
Хотя было предложено множество альтернатив обычному двигателю внутреннего сгорания, каждая предлагала лишь несущественные усовершенствования. В гибридных транспортных средствах (например, Toyota Prius) и в системах с альтернативным топливом (например, пропаном, природным газом и биотопливами) все еще используют обычные поршневые двигатели с возвратно-поступательным движением со всеми их сопутствующими недостатками. Электромобили, с другой стороны, имеют ограниченный запас хода и долго подзаряжаются. Водородные топливные элементы являются другой альтернативой, но осуществление этой зарождающейся технологии относительно дорого и требует новой инфраструктуры снабжения топливом для замены существующей инфраструктуры на основе нефтепродуктов. Соответственно, хотя каждая из этих технологий может быть многообещающей в будущем, представляется, что они будут доступны на массовом рынке только через многие годы.
Настоящее изобретение направлено в целом на двигатели, насосы и подобные устройства преобразования энергии, которые преобразуют тепловую энергию в механическую энергию или в альтернативном варианте преобразуют механическую энергию в энергию текучей среды. Двигатель внутреннего сгорания, сконфигурированный в соответствии с одним объектом изобретения, включает в себя первую торцевую стеночную часть, отстоящую от второй торцевой стеночной части, для, по меньшей мере, частичного образования камеры высокого давления между ними. Двигатель также включает в себя первый и второй подвижные V-образные элементы, в рабочем положении расположенные между первой и второй торцевыми стеночными частями. Первый V-образный элемент выполнен с возможностью вращения вокруг первой оси вращения и включает в себя первую стеночную часть, расположенную смежно со второй стеночной частью. Первая стеночная часть имеет первую кромочную часть, а вторая стеночная часть имеет первую цилиндрическую поверхность. Второй подвижный V-образный элемент выполнен с возможностью вращения вокруг второй оси вращения и имеет третью стеночную часть, расположенную смежно с четвертой стеночной частью. Третья стеночная часть имеет вторую кромочную часть, а четвертая стеночная часть имеет вторую цилиндрическую поверхность. При работе первая кромочная часть первой стеночной части скользит по второй цилиндрической поверхности четвертой стеночной части, а вторая кромочная часть третьей стеночной части скользит по первой цилиндрической поверхности второй стеночной части, когда первый V-образный элемент вращается вокруг первой оси вращения и второй V-образный элемент вращается вокруг второй оси вращения.
Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создан двигатель, содержащий первую торцевую стеночную часть; вторую торцевую стеночную часть, отстоящую от первой торцевой стеночной части, для образования, по меньшей мере, частично камеры высокого давления между ними; первый подвижный элемент, в рабочем положении расположенный между первой и второй торцевыми стеночными частями, причем первый подвижный элемент имеет первую кромочную часть и первую цилиндрическую поверхность; и второй подвижный элемент, в рабочем положении расположенный между первой и второй торцевыми стеночными частями, причем второй подвижный элемент имеет вторую кромочную часть и вторую цилиндрическую поверхность, при этом первая кромочная часть первого подвижного элемента выполнена с возможностью скольжения по второй цилиндрической поверхности второго подвижного элемента, а вторая кромочная часть второго подвижного элемента выполнена с возможностью скольжения по первой цилиндрической поверхности первого подвижного элемента, когда первый подвижный элемент поворачивается вокруг первой оси вращения, а второй подвижный элемент поворачивается вокруг второй оси вращения.
Предпочтительно первая и вторая оси вращения зафиксированы относительно первой и второй торцевых стеночных частей.
Предпочтительно первая и вторая оси вращения проходят сквозь первую и вторую торцевые стеночные части.
Предпочтительно, по меньшей мере, первый подвижный элемент имеет "V-образную" форму.
Предпочтительно первый подвижный элемент включает в себя первую стеночную часть, имеющую первую кромочную часть, и вторую стеночную часть, имеющую первую цилиндрическую поверхность, при этом второй подвижный элемент включает в себя третью стеночную часть, имеющую вторую кромочную часть и четвертую стеночную часть, имеющую вторую цилиндрическую поверхность.
Предпочтительно первая и вторая стеночные части первого подвижного элемента образуют "V-образную" форму.
Предпочтительно первая и вторая стеночные части первого подвижного элемента образуют угол от 90 градусов до 180 градусов.
Предпочтительно первый подвижный элемент, по меньшей мере, по существу идентичен второму подвижному элементу.
Предпочтительно первая ось вращения отстоит от второй оси вращения на расстояние D, при этом первая цилиндрическая поверхность имеет радиус кривизны R, который, по меньшей мере, приблизительно равен D.
Предпочтительно первая ось вращения отстоит от второй оси вращения на расстояние D, при этом первая цилиндрическая поверхность и вторая цилиндрическая поверхность имеют радиус кривизны R, который, по меньшей мере, приблизительно равен D.
Предпочтительно первая торцевая стеночная часть включает в себя, по меньшей мере, один вырез для впуска топливно-воздушной смеси в камеру высокого давления.
Предпочтительно первая торцевая стеночная часть включает в себя, по меньшей мере, одно передаточное отверстие для впуска топливно-воздушной смеси в камеру высокого давления.
Предпочтительно первая торцевая стеночная часть включает в себя, по меньшей мере, одно отверстие для выпуска отработанных газов из камеры высокого давления.
Предпочтительно первая торцевая стеночная часть включает в себя, по меньшей мере, одно отверстие для впуска топливно-воздушной смеси в камеру высокого давления, при этом вторая торцевая стеночная часть включает в себя, по меньшей мере, одно отверстие для выпуска отработанных газов из камеры высокого давления.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создан двигатель, содержащий первую торцевую стеночную часть; вторую торцевую стеночную часть, отстоящую от первой торцевой стеночной части, для, по меньшей мере, частичного образования камеры высокого давления между ними; первый подвижный элемент, в рабочем положении расположенный между первой и второй торцевыми стеночными частями, причем первый подвижный элемент имеет первую стеночную часть, расположенную смежно со второй стеночной частью, при этом первая стеночная часть имеет первую кромочную часть и первую цилиндрическую поверхность, а вторая стеночная часть имеет вторую кромочную часть и вторую цилиндрическую поверхность; и второй подвижный элемент, в рабочем положении расположенный между первой и второй торцевыми стеночными частями, причем второй подвижный элемент имеет третью стеночную часть, расположенную смежно с четвертой стеночной частью, и третья стеночная часть имеет третью кромочную часть и третью цилиндрическую поверхность, при этом четвертая стеночная часть имеет четвертую кромочную часть и четвертую цилиндрическую поверхность, причем первая кромочная часть первой стеночной части выполнена с возможностью скольжения по третьей цилиндрической поверхности третьей стеночной части, а четвертая кромочная часть четвертой стеночной части выполнена с возможностью скольжения по второй цилиндрической поверхности второй стеночной части, когда первый подвижный элемент поворачивается вокруг первой оси вращения, а второй подвижный элемент поворачивается вокруг второй оси вращения.
Предпочтительно первая кромочная часть первой стеночной части выполнена с возможностью скольжения по третьей цилиндрической поверхности третьей стеночной части, и четвертая кромочная часть четвертой стеночной части выполнена с возможностью скольжения по второй цилиндрической поверхности второй стеночной части, когда первый подвижный элемент вращается вокруг первой оси вращения в первом направлении, а второй подвижный элемент вращается вокруг второй оси вращения в первом направлении.
Предпочтительно вторая кромочная часть второй стеночной части выполнена с возможностью скольжения по четвертой цилиндрической поверхности четвертой стеночной части, и третья кромочная часть третьей стеночной части выполнена с возможностью скольжения по первой цилиндрической поверхности первой стеночной части, когда первый подвижный элемент вращается вокруг первой оси вращения, а второй подвижный элемент вращается вокруг второй оси вращения.
Предпочтительно первая кромочная часть первой стеночной части выполнена с возможностью скольжения по третьей цилиндрической поверхности третьей стеночной части, и четвертая кромочная часть четвертой стеночной части выполнена с возможностью скольжения по второй цилиндрической поверхности второй стеночной части, когда первый подвижный элемент вращается вокруг первой оси вращения в первом направлении, а второй подвижный элемент вращается вокруг второй оси вращения в первом направлении; при этом вторая кромочная часть второй стеночной части выполнена с возможностью скольжения по четвертой цилиндрической поверхности четвертой стеночной части, и третья кромочная часть третьей стеночной части выполнена с возможностью скольжения по первой цилиндрической поверхности первой стеночной части, когда первый подвижный элемент вращается вокруг первой оси вращения во втором направлении, противоположном первому направлению, а второй подвижный элемент вращается вокруг второй оси вращения во втором направлении.
Предпочтительно двигатель дополнительно включает в себя синхронизирующую зубчатую передачу, в рабочем положении соединяющую первый подвижный элемент со вторым подвижным элементом.
Предпочтительно первая кромочная часть первой стеночной части несет уплотнение, выполненное с возможностью скольжения по цилиндрической поверхности третьей стеночной части, когда первый подвижный элемент вращается вокруг первой оси вращения, а второй подвижный элемент вращается вокруг второй оси вращения.
Предпочтительно двигатель дополнительно включает в себя топливный инжектор, который установлен на первой торцевой стеночной части, причем камера высокого давления представляет собой камеру сгорания, а топливный инжектор выполнен с возможностью впрыскивания топлива в камеру сгорания.
Предпочтительно двигатель дополнительно включает в себя воспламенитель, удерживаемый первой торцевой стеночной частью, причем камера высокого давления представляет собой камеру сгорания, а воспламенитель выполнен с возможностью воспламенения воздушно-топливной смеси в камере сгорания.
Согласно третьему объекту настоящего изобретения создан двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру сгорания; первый подвижный элемент, расположенный вблизи камеры сгорания, причем первый подвижный элемент имеет первую кромочную часть и первую цилиндрическую поверхность; второй подвижный элемент, расположенный вблизи камеры сгорания, причем второй подвижный элемент имеет вторую кромочную часть и вторую цилиндрическую поверхность; средство для впрыска топлива в камеру сгорания и средство для воспламенения топлива в камере сгорания, таким образом, вызывающего скольжение первой кромочной части первого подвижного элемента по второй цилиндрической поверхности второго подвижного элемента и скольжение второй кромочной части второго подвижного элемента по первой цилиндрической поверхности первого подвижного элемента, когда первый подвижный элемент вращается вокруг первой оси вращения, а второй подвижный элемент вращается вокруг второй оси вращения.
Предпочтительно двигатель дополнительно содержит средство для выпуска отработанного газа из камеры сгорания.
Предпочтительно двигатель дополнительно содержит средство для синхронизации перемещения первого и второго подвижных элементов.
Предпочтительно двигатель дополнительно содержит средство для преобразования поворотного движения первого и второго подвижных элементов во вращательное движение связанного с ними коленчатого вала.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематический изометрический вид части радиального импульсного двигателя, выполненного в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
фиг.2А-2Е - ряд видов в плане, иллюстрирующих способ действия двигателя, показанного на фиг.1, в двухтактном режиме в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
фиг.3 - схематический вид в плане, иллюстрирующий различные геометрические признаки двигателя, показанного на фиг.1;
фиг.4A и 4B - схематические виды в плане радиального импульсного двигателя, выполненного в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;
фиг.5 - схематический изометрический вид части радиального импульсного двигателя, выполненного в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;
фиг.6A-6I - ряд видов в плане двигателя, показанного на фиг.5, работающего в четырехтактном режиме в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
фиг.7A-7B - схематические виды в плане части радиального импульсного двигателя, имеющего множество трехлопастных средств, выполненного в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;
фиг.8 - схематический вид в плане радиального импульсного двигателя, имеющего относительно большое количество трехлопастных средств, соответствующих еще одному варианту осуществления изобретения;
фиг.9 - схематический изометрический вид части радиального импульсного двигателя, выполненного в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;
фиг.10А-10D - ряд схематических видов в плане двигателя, иллюстрирующих работу двигателя, показанного на фиг.9, в четырехтактном режиме в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;
фиг.11 - схематический вид в плане части радиального импульсного двигателя, который подобен двигателю, описанному выше со ссылками на фиг.9-10D;
фиг.12A и 12B - схематические виды в плане части радиального импульсного двигателя, выполненного в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения;
фиг.13A-13C - ряд схематических видов двухцилиндрового радиального импульсного двигателя, выполненного в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;
фиг.14A-14D - ряд схематических видов радиального импульсного двигателя, выполненного в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения;
фиг.15A-15D - ряд схематических видов лопаточного устройства, выполненного в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Нижеследующее описание подробно раскрывает ряд различных систем двигателя, насоса и компрессора, а также ряд различных способов работы таких систем. Некоторые детали сформулированы в нижеследующем описании для обеспечения полного понимания различных вариантов осуществления изобретения. Однако другие детали, касающиеся известных конструкций и систем, часто связанных с двигателями внутреннего сгорания, паровыми поршневыми двигателями, насосами, компрессорами и подобными устройствами, не описаны ниже, чтобы излишне не загромождать описание различных вариантов осуществления изобретения.
Многие из деталей, размеров, углов и других признаков, показанных на чертежах, даны только для иллюстрации конкретных вариантов осуществления изобретения. Соответственно, другие варианты осуществления изобретения могут иметь другие детали, размеры, углы и/или признаки без отхода от сущности или объема настоящего изобретения. Кроме того, дополнительные варианты осуществления изобретения могут быть осуществлены без нескольких из деталей, описанных ниже.
На чертежах идентичные ссылочные позиции обозначают идентичные или, по меньшей мере, в целом подобные элементы. Для облегчения описания любого конкретного элемента наибольший значащий разряд или разряды любой ссылочной позиции относятся к чертежу, на котором этот элемент указан сначала. Например, элемент 140 сначала введен и описан со ссылками на фиг.1.
I Варианты выполнения радиальных импульсных двигателей внутреннего сгорания
На фиг.1 показан схематический изометрический вид части радиального импульсного двигателя 100 ("двигатель 100"), выполненного в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Ряд компонентов двигателя 100 не показан на фиг.1 для ясности. Согласно одному объекту этого варианта осуществления изобретения двигатель 100 включает в себя множество подвижных V-образных элементов 140 (индивидуально указанных как первый V-образный элемент 140а и второй V-образный элемент 140b), выполненных с возможностью вращения вокруг соответствующих осей Р вращения (индивидуально указанных как первая ось Ра вращения и вторая ось Рb вращения). Для простоты ссылок V-образные элементы 140 упомянуты здесь как "V-образные лопатки 140". В показанном варианте осуществления изобретения первая V-образная лопатка 140а идентична (или, по меньшей мере, в целом подобна) второй V-образной лопатке 140b. Каждая из V-образных лопаток 140 включает в себя стеночную часть 141 сжатия (указаны индивидуально как стеночные части 141а и 141b сжатия) и обегаемую стеночную часть 142 (указаны индивидуально как обегаемые стеночные части 142а и 142b). Каждая стеночная часть 141 сжатия включает в себя поверхность 146 сжатия (указаны индивидуально как поверхности 146а и 146b сжатия), проходящую, по меньшей мере, частично между первой кромочной частью 145 (указаны индивидуально как первые кромочные части 145а и 145b) и соответствующей осью Р вращения. Каждая обегаемая стеночная часть 142 включает в себя цилиндрическую обегаемую поверхность 144 (указаны индивидуально как обегаемые поверхности 144а и 144b), проходящую, по меньшей мере, частично от второй кромочной части 147 (указаны индивидуально как вторые кромочные части 147а и 147b) к смежной поверхности 146 сжатия.
Двигатель 100 дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один топливный инжектор 134 и, по меньшей мере, один воспламенитель 132, расположенные вблизи камеры 103 сгорания. В показанном варианте осуществления изобретения камера 103 сгорания, по меньшей мере, частично образована противоположными выемками в стеночных частях 141 сжатия. Однако в других вариантах осуществления изобретения камера 103 сгорания, топливный инжектор 134 и/или воспламенитель 132 могут быть расположены в других местах и иметь другие конфигурации, которые отличаются от показанных на фиг.1. Например, в других вариантах осуществления изобретения топливный инжектор 134 может быть заменен и/или дополнен карбюратором, подающим смесь топлива и воздуха через соответствующее входное отверстие.
Как указано выше, множество признаков двигателя 100 было опущено на фиг.1 для ясности. Эти компоненты могут представлять собой, например, различные компоненты, связанные с отбором мощности, забором воздуха, выхлопом, моментом зажигания и синхронизацией работы V-образной лопатки. Эти и другие признаки двигателя 100 описаны более подробно ниже со ссылками на фиг.2A-2D.
На фиг.2A-2E показан ряд видов в плане, иллюстрирующих способ действия двигателя 100 в двухтактном режиме в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Эти чертежи показывают ряд компонентов двигателя, которые были опущены на фиг.1 для ясности. Например, на фиг.2А показано, что V-образные лопатки 140 с возможностью вращения расположены между первой торцевой пластиной 204а и второй торцевой пластиной 204b. Между первой торцевой пластиной 204а и второй пластиной 204b проходит продувочный ствол 202, включающий в себя первую боковую стеночную часть 221а и противоположную вторую боковую стеночную часть 221b. Каждая боковая стеночная часть 221 включает, по меньшей мере, один проточный клапан 226 (указаны индивидуально как проточные клапаны 226а и 226b), выполненный с возможностью впуска воздуха в продувочный ствол 202 в ходе работы двигателя.
Первая торцевая пластина 204а включает в себя первое выхлопное отверстие 230а и второе выхлопное отверстие 230b. Как описано более подробно ниже, выхлопные отверстия 230 выполнены с возможностью направления выхлопных газов из камеры 103 сгорания в ходе работы двигателя. Вторая торцевая пластина 204b включает в себя первую выпускную камеру 250а и вторую выпускную камеру 250b. Каждая выпускная камера 250 включает в себя входное отверстие 251 и соответствующее выходное отверстие 252. Как описано более подробно ниже, выпускные камеры 250 обеспечивают прохождение сжатого воздуха из-за каждой стеночной части 141 сжатия в камеру 103 сгорания при работе двигателя.
Каждая из V-образных лопаток 140 неподвижно присоединена к соответствующему кривошипному валу 220 (указаны индивидуально как первый кривошипный вал 220а и второй кривошипный вал 220b), который вращается вокруг соответствующей оси Р вращения. В показанном варианте осуществления изобретения каждый из кривошипных валов 220 проходит сквозь первую торцевую пластину 204а и в рабочем положении соединен с соответствующей распределительной шестерней 222 (индивидуально указаны как первая распределительная шестерня 222а и вторая распределительная шестерня 222b). Каждая из распределительных шестерен 222 в рабочем положении входит в зацепление с зубчатым венцом 228, который выполнен с возможностью вращения назад и вперед вокруг его центральной оси. Плечо 229 кривошипа проходит наружу от зубчатого венца 228 и шарнирно соединено с шатуном 262. Шатун 262 в свою очередь с возможностью вращения соединен с коленчатым валом 270. Коленчатый вал 270 может содержать один или более маховиков 272 с достаточной массой для приведения в действие V-образных лопаток 140 посредством сжатия (то есть внутрь) в ходе их цикла, как описано более подробно ниже.
Закрытое положение лопатки, показанное на фиг.2А, может быть названо "верхней мертвой точкой" (то есть "ВМТ") для простоты ссылок. Положение в верхней мертвой точке V-образных лопаток 140 соответствует положению в верхней мертвой точке коленчатого вала 270. В этой точке цикла топливный инжектор 134 впрыскивает топливо в камеру 103 сгорания и воспламенитель 132 воспламеняет сжатую топливно-воздушную смесь. Происходящее вследствие этого сгорание движет стеночные части 141 сжатия наружу, вызывая вращение кривошипных валов 220 в направлении по часовой стрелке вокруг их соответствующих осей Р вращения. Когда кривошипные валы 220 вращаются, распределительные шестерни 222 приводят в действие зубчатый венец 228 в направлении против часовой стрелки. Когда зубчатый венец 228 вращается, он передает мощность от V-образных лопаток 140 коленчатому валу 270 через плечо 229 кривошипа.
Как показано далее на фиг.2В, когда V-образные лопатки 140 продолжают вращаться в направлении по часовой стрелке, первая кромочная часть 145 каждой стеночной части 141 сжатия скользит по примыкающей обегаемой поверхности 144 противоположной обегаемой стеночной части 142, таким образом, поддерживая удовлетворительное уплотнение камеры 103 сгорания. Хотя это не показано на фиг.1-2Е, каждая кромочная часть 145 (и/или другие части V-образных лопаток 140) может включать в себя металлическое уплотнение или другое средство для усиления уплотнения между смежными поверхностями. Такие средства подробно описаны в предварительной заявке на патент США №60/676017, полное содержание которой включено сюда посредством ссылки.
Когда стеночные части 141 сжатия приближаются к положению, показанному на фиг.2С, расширяющиеся выхлопные газы начинают выходить из камеры 103 сгорания через открытые выхлопные отверстия 230. Когда стеночные части 141 сжатия продолжают двигаться наружу, они сжимают всасываемую смесь, захваченную между ними и смежными боковыми стеночными частями 221. Когда стеночные части 141 сжатия приближаются к положению, показанному на фиг.2D, они перемещают эти дозы сжатого воздуха в камеру 103 сгорания через выпускные камеры 250. Поступающий воздух содействует выпуску выхлопных газов из камеры 103 сгорания через выхлопные отверстия 230.
Когда V-образные лопатки 140 достигают положения, показанного на фиг.2D (то есть "нижней мертвой точки", или положения "НМТ"), кинетическая энергия коленчатого вала 270 заставляет V-образные лопатки 140 изменять на обратное направление движения и начинать вращаться к положению в верхней мертвой точке, показанному на фиг.2А. Когда стеночные части 141 сжатия вращаются в направлении против часовой стрелки, они вытесняют остающиеся выхлопные газы из камеры 103 сгорания через выхлопные отверстия 230. Кроме того, это перемещение внутрь стеночной части 141 сжатия втягивает воздух в продувочный ствол 202 через проточные клапаны 226.
Как показано далее на фиг.2Е, стеночные части 141 сжатия сжимают воздух в камере 103 сгорания, когда они продолжают перемещаться внутрь, проходя выхлопные отверстия 230. Когда V-образные лопатки 140 находятся в положении верхней мертвой точки, как показано на фиг.2А, или вблизи нее, топливный инжектор 134 впрыскивает топливо в камеру 103 сгорания и воспламенитель 132 воспламеняет сжатую смесь из топлива и воздуха. Происходящее вследствие этого сгорание перемещает V-образные лопатки 140 наружу в направлении по часовой стрелке и цикл, описанный выше, повторяется.
Хотя двигатель 100, описанный выше, включает в себя передаточные камеры и выхлопные отверстия для перемещения дозы смеси в камеру 103 сгорания и из нее, в других вариантах осуществления изобретения подобные двигатели, выполненные в соответствии с объектами настоящего изобретения, для выполнения этих функций могут включать в себя тарельчатые клапаны. Например, в одном варианте осуществления изобретения, двигатель, подобный двигателю 100, может содержать расположенные в центре тарельчатые клапаны в каждой из торцевых пластин 204 для удаления отработанных газов из камеры 103 сгорания. Такое устройство может предусматривать двойные выпускные камеры, одна из которых расположена на первой торцевой пластине 204а, а другая расположена на второй торцевой пластине 204b для впуска всасываемой смеси в камеру 103 сгорания. В другом варианте осуществления изобретения двигатель, подобный двигателю 100, может быть выполнен с возможностью работы как четырехтактный двигатель с использованием тарельчатых клапанов. Соответственно, объекты варианта осуществления изобретения, показанного на фиг.1-2Е, не ограничены конкретными признаками двухтактного двигателя, описанными выше, но распространяются на другие варианты осуществления изобретения, которые могут включать другие признаки двухтактных и четырехтактных двигателей.
II Избранные признаки «лопатки»
На фиг.3 показан схематический вид в плане части двигателя 100 для иллюстрирования некоторых геометрических признаков V-образных «лопаток» 140. Например, на фиг.3 показано что оси Р вращения одинаково разнесены по окружности С. Окружность С имеет диаметр D, который равен радиусу кривизны R обегаемых поверхностей 144.
Для данной V-образной лопатки 140 один способ расположения обегаемой поверхности 144 относительно поверхности стороны 146 сжатия включает следующее: сначала (относительно первой V-образной лопатки 140а для простоты ссылок) выбирают желательную длину L поверхности 146а сжатия. Затем выбирают желательное местоположение поверхности 146а сжатия в верхней мертвой точке (показано пунктирными линиями на фиг.3). Например, если длина L поверхности 146а сжатия меньше диаметра D окружности С, то длина L может быть отцентрирована между двумя осями Р вращения в верхней мертвой точке. Если длина L поверхности 146а стенки сжатия больше диаметра D окружности С, то длина L не должна быть отцентрирована относительно двух осей Р вращения в верхней мертвой точке. (Однако такие варианты осуществления изобретения могут давать V-образные лопатки, которые не идентичны друг другу.) Выбор длины и местоположения поверхности 146а сжатия указанным выше образом дает первую точку PT1, где обегаемая поверхность 144а пересекает поверхность 146а сжатия.
Затем обе стеночные части 141 сжатия вращаются наружу от положения в верхней мертвой точке до частично открытого положения, такого как частично открытое положение, показанное сплошной линией на фиг.3. Первая обегаемая стеночная часть 142а в таком случае вращается вокруг точки PT1, пока кромочная часть 145b второй стеночной части 141b сжатия не войдет в контакт с обегаемой поверхностью 144а. Это устанавливает вторую точку PT2, где кромочная часть 145b входит в контакт с обегаемой поверхностью 144а. Вместе две точки PT1 и PT2 позитивно располагают обегаемую поверхность 144а относительно поверхности 146а сжатия.
Как указывает приведенное выше описание со ссылками на фиг.3, цилиндрические обегаемые поверхности 144 V-образных лопаток 140 не должны пересекать соответствующие оси Р вращения для работы должным образом двигателя 100. То есть обегаемые поверхности 144 могут быть расположены изнутри или снаружи от соответствующих осей Р вращения и V-образные лопатки 140 все же будут открываться и закрываться ровно, сохраняя скользящий контакт между лопатками для достаточного уплотнения камеры 103 сгорания.
Например, на фиг.4А и 4B показаны схематические виды в плане радиального импульсного двигателя 400 ("двигатель 400"), выполненного в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения. В этом варианте осуществления изобретения двигатель 400 включает в себя две V-образные лопатки 440, имеющие цилиндрические поверхности 444, расположенные изнутри от соответствующих осей Р вращения. Подобным образом другие двигатели, выполненные в соответствии с настоящим описанием, могут иметь цилиндрические обегаемые поверхности, расположенные снаружи от соответствующих осей Р вращения.
III Дополнительные варианты выполнения радиальных импульсных двигателей внутреннего сгорания
На фиг.5 показан схематический изометрический вид части радиального импульсного двигателя 500 ("двигатель 500"), выполненного в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения. Согласно одному объекту этого варианта осуществления изобретения двигатель 500 включает в себя первую V-образную лопатку 540а и вторую V-образную лопатку 540b, которые подобны V-образным лопаткам, описанным выше со ссылками на фиг.1-4В. Однако в этом конкретном варианте осуществления изобретения каждая из V-образных лопаток 540 включает в себя первую обегаемую стеночную часть 541 (указаны индивидуально как первые обегаемые стеночные части 541a и 541b) и вторую обегаемую стеночную часть 542 (указаны индивидуально как вторые обегаемые стеночные части 542а и 542b). Каждая первая обегаемая стеночная часть 541 содержит соответствующую первую обегаемую поверхность 544 (указаны индивидуально как первые обегаемые поверхности 544а и 544b), и каждая вторая обегаемая стеночная часть 542 включает в себя соответствующую вторую обегаемую поверхность 546 (указаны индивидуально как вторые обегаемые поверхности 546а и 546b).
В показанном варианте осуществления изобретения каждая из вторых обегаемых поверхностей 546 включает в себя вырез 551 для выпускного клапана (указаны индивидуально как вырезы 551а и 551b для выпускного клапана) и вырез 552 для впускного клапана (указаны индивидуально как вырезы 552а и 552b для впускного клапана). Как описано более подробно ниже, вырезы 551 для выпускного клапана выполнены с возможностью размещения выпускного клапана 530, когда он проходит в камеру 503 сгорания. Подобным образом вырезы 552 для впускного клапана выполнены с возможностью размещения впускного клапана 531, когда он проходит в камеру 503 сгорания.
Согласно другому объекту этого варианта осуществления изобретения двигатель 500 дополнительно включает в себя первый топливный инжектор 534а, расположенный вблизи первого воспламенителя 532а (например, первой запальной свечи), и второй топливный инжектор 534b, расположенный вблизи второго воспламенителя 532b (например, второй запальной свечи). Топливные инжекторы 534 выполнены с возможностью впрыскивания топлива в камеру 503 сгорания для последующего зажигания воспламенителями 532.
На фиг.6А-6I показан ряд видов в плане, иллюстрирующих работу двигателя 500 в четырехтактном режиме в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Обратившись сначала к фиг.6А, отметим, что каждая из V-образных лопаток прикреплена к соответствующему кривошипному валу 620 (указаны индивидуально как первый кривошипный вал 620а и второй кривошипный вал 620b). Кривошипные валы 620 проходят между первой торцевой пластиной 604а и второй торцевой пластиной 604b и выполнены с возможностью вращения назад и вперед вокруг соответствующих осей Р вращения (указанных индивидуально как первая ось Рa вращения и вторая ось Pb вращения). Хотя это не показано на фиг.6А, каждый из кривошипных валов 620 может в рабочем положении взаимодействовать с коленчатым валом или другим устройством для синхронизации движения V-образных лопаток 540 и/или для отбора мощности, как описано выше со ссылками, например, на фиг.2А-2Е.
В показанном варианте осуществления изобретения топливные инжекторы 534 и воспламенители 532 удерживаются первой торцевой пластиной 604а. Однако в других вариантах осуществления изобретения один или более топливных инжекторов 534 и/или воспламенителей 532 могут быть исключены или в альтернативном варианте дополнительные инжекторы и/или воспламенители могут быть расположены в других местоположениях вокруг камеры 503 сгорания. Например, в другом варианте осуществления изобретения один или более топливных инжекторов и/или воспламенителей могут удерживаться второй торцевой пластиной 604b.
На фиг.6А V-образные лопатки 540 находятся в первом положении в верхней мертвой точке в конце такта сжатия. В этой точке цикла топливные инжекторы 534 впрыскивают топливо в камеру 503 сгорания и воспламенители 532 воспламеняют сжатую топливно-воздушную смесь. Возникающее в результате сгорание движет первые обегаемые стеночные части 541 наружу, когда V-образные лопатки 540 вращаются вокруг осей Р вращения в направлении по часовой стрелке.
Далее, как показано на фиг.6В, когда V-образные лопатки 540 продолжают вращаться в направлении по часовой стрелке, первая кромочная часть 545а первой обегаемой стеночной части 541а скользит по второй обегаемой поверхности 546b второй обегаемой стеночной части 542b. Одновременно первая кромочная часть 545b первой обегаемой стеночной части 541b скользит по второй обегаемой поверхности 546а второй обегаемой стеночной части 542а. Скользящий контакт соответствующих стеночных частей достаточно уплотняет камеру 503 сгорания для предотвращения утечки расширяющихся отработанных газов. Когда V-образные лопатки 540 достигают середины их хода, как показано на фиг.6С (которая для облегчения ссылок может упоминаться как "нижняя мертвая точка" или положение в НМТ), выпускной клапан 530 начинает двигаться в камеру 503 сгорания, позволяя выпускным газам выходить из камеры 503 сгорания через выхлопное отверстие 658 в первой торцевой пластине 604а.
Как показано далее на фиг.6D, когда V-образные лопатки 540 продолжают вращаться в направлении по часовой стрелке, вторая кромочная часть 547а второй обегаемой стеночной части 542а скользит по первой обегаемой поверхности 544b первой обегаемой стеночной части 541b. Одновременно вторая кромочная часть 547b второй обегаемой стеночной части 542b скользит по первой обегаемой поверхности 544а первой обегаемой стеночной части 541a. Скользящий контакт соответствующих стеночных частей продолжает уплотнять камеру 503 сгорания и предотвращать существенные утечки давления.
Хотя это не показано на фиг.6А-6I, каждая из кромочных частей 545 и 547 (и/или другие части V-образных лопаток 540) может включать в себя уплотнитель или другое средство для усиления уплотнения между смежными поверхностями. Такие средства описаны подробно в заявке на патент США №60/676017, полное содержание которой включено сюда посредством ссылки. Когда вторые обегаемые стеночные части 542 продолжают перемещаться внутрь, они вытесняют выхлопные газы из камеры 503 сгорания через открытое выхлопное отверстие 658.
Когда V-образные лопатки 540 приближаются к положению второй верхней мертвой точки, показанному на фиг.6Е, вырезы 551 для выпускного клапана (см. также фиг.5) предотвращают столкновение вторых обегаемых стеночных частей 542 с открытым выпускным клапаном 530. В этот или приблизительно в этот момент впускной клапан 531 (см. фиг.5) начинает перемещаться в камеру 503 сгорания, допуская начало поступления свежей дозы воздуха в камеру 503 сгорания через открытое впускное отверстие (не показано) во второй торцевой пластине 604b. Вырезы 552 для впускного клапана (см. фиг.5) предотвращают столкновение вторых обегаемых стеночных частей 542 с открытым впускным клапаном 531. После мгновенной остановки во втором положении в верхней мертвой точке V-образные лопатки 540 начинают вращаться наружу против часовой стрелки.
Когда V-образные лопатки 540 приближаются к положению, показанному на фиг.6F, впускной клапан 531 полностью или почти полностью открыт и продолжающееся перемещение наружу второй обегаемой стеночной части 542 обеспечивает быстрое заполнение камеры 503 сгорания свежей всасываемой смесью. Когда V-образные лопатки 540 снова достигают середины или положения нижней мертвой точки, показанного на фиг.6G, впускной клапан 531 закрывается таким образом, что дальнейшее движение внутрь первых обегаемых стеночных частей 541, как показано на фиг.6Н, сжимает всасываемую смесь. Когда V-образные лопатки 540 возвращаются к первому положению в верхней мертвой точке, показанному на фиг.6I, топливные инжекторы 534 подают топливо в камеру 503 сгорания для последующего зажигания воспламенителями 532. В этот момент цикла и впускной клапан 531, и выпускной клапан 530 полностью закрыты. Следовательно, последующее сгорание перемещает V-образные лопатки 540 наружу в направлении по часовой стрелке и четырехтактный цикл, описанный выше, повторяется.
Как будет понятно специалистам в данной области техники, различные двигатели, по меньшей мере, в целом подобные по конструкции и работе двигателю 500, описанному выше, могут быть оснащены системами впуска, выпуска и зажигания других конфигураций без отхода от сущности или объема настоящего описания. Например, другие двигатели могут включать одно или более передаточных отверстий в торцевых стенках 604 (см. фиг.6А) и/или обегаемых стеночных частей 541 или 542 для подачи всасываемых смесей в камеру 503 сгорания или выпуска из нее выхлопных газов. В альтернативном варианте впускной клапан 531 и/или выпускной клапан 530 могут быть заменены тарельчатыми клапанами, которые проходят сквозь поверхности лопаток и приводятся в действие относительным перемещением между V-образными лопатками 540 и смежными конструкциями. Подобным образом топливные инжекторы 534 могут быть исключены и может использоваться система карбюрации для подачи топливно-воздушной смеси в камеру 503 сгорания. В другом варианте осуществления изобретения двигатель, по меньшей мере, в целом подобный по конструкции и работе двигателю 500, описанному выше, может быть выполнен с возможностью функционирования в двухтактном режиме без отхода от сущности или объема настоящего описания.
В другом варианте осуществления изобретения два или боле двигателей, подобных двигателю 500, двигателю 100 (см. фиг.1-3) или двигателю 400 (см. фиг.4А и 4В), могут быть соединены в различных двуосных и/или соосных многокамерных конфигурациях, как описано подробно в заявке на патент США №60/676017. В других вариантах осуществления изобретения различные системы, имеющие V-образные лопатки, по меньшей мере, в целом подобные по конструкции и работе описанным выше V-образным лопаткам 140, 440 и 540, могут использоваться в различных системах насосов и компрессоров. Соответственно, настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами конструкции, описанными выше, но распространяется на любые и все варианты осуществления изобретения, затрагивающие один или более описанных здесь изобретательских аспектов.
На фиг.7А-7В показаны схематические виды в плане части двигателя 700, имеющего множество трехлопастных лопаток 740 (указаны индивидуально как трехлопастные лопатки 740a-f), выполненных в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения. Как показано совместно на фиг.7А и 7В, в этом варианте осуществления изобретения каждая трехлопастная лопатка 740 включает в себя первую обегаемую стеночную часть 741, вторую обегаемую стеночную часть 742 и третью обегаемую стеночную часть 743. В ходе работы двигателя, каждая из трехлопастных лопаток 740 поворачивается назад и вперед в унисон вокруг соответствующей оси Р вращения (указаны индивидуально как оси Pa-f вращения). Когда трехлопастные лопатки 740 поворачиваются, обегаемые стеночные части 741, 742 и 743 каждой трехлопастной лопатки 740 взаимодействуют со смежными обегаемыми стеночными частями 741, 742 и 743 двух соседних трехлопастных лопаток 740, как описано выше для двигателя 500, показанного на фиг.5-6I. Например, первая обегаемая стеночная часть 741а и вторая обегаемая стеночная часть 742а первой трехлопастной лопатки 740а взаимодействует с первой обегаемой стеночной частью 741b и третьей обегаемой стеночной частью 743b соответственно второй трехлопастной лопатки 740b. Таким образом, каждая пара взаимодействующих трехлопастных лопаток (например, первая трехлопастная лопатка 740а и вторая трехлопастная лопатка 740b) может работать как независимый "поддвигатель". В других вариантах осуществления изобретения камеры между взаимодействующими трехлопастными лопатками 740 могут быть выполнены с возможностью функционирования в качестве насосов, компрессоров и т.д.
В других вариантах осуществления изобретения смежные пары трехлопастных лопаток 740 могут быть выполнены с возможностью функционирования в переменных циклах таким образом, что, например, одна трехлопастная лопатка вращается наружу при такте сгорания, когда смежная трехлопастная лопатка вращается внутрь при такте сжатия. В другом варианте осуществления изобретения внутренняя камера 703 двигателя 700 может быть выполнена с возможностью функционирования как другой двигатель, насос или компрессорная камера. Как показано на фиг.8, количество трехлопастных лопаток, которые могут быть скомбинированы указанным выше образом, фактически не ограничено.
На фиг.9 показан изометрический вид части радиального импульсного двигателя 900 ("двигатель 900"), выполненного в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения. Двигатель 900 включает в себя множество лопаток 940 (указаны индивидуально как лопатки 940а-940с), выполненных с возможностью вращения назад и вперед вокруг соответствующих осей Р вращения (указаны индивидуально как оси Ра-с вращения). Оси Р вращения равномерно разнесены по окружности С. Согласно одному объекту этого варианта осуществления изобретения каждая из лопаток 940 имеет цилиндрическую обегаемую поверхность 944 (указаны индивидуально как обегаемые поверхности 944а-с), проходящую между первой кромочной частью 945 (указаны индивидуально как первые кромочные части 945а-с) и второй кромочной частью 947 (указаны индивидуально как вторые кромочные части 947а-с). Каждая из обегаемых поверхностей 944 имеет радиус кривизны R, который эквивалентен (или, по меньшей мере, приблизительно эквивалентен) расстоянию D по прямой между смежными осями Р вращения.
Согласно другому объекту этого варианта осуществления изобретения двигатель 900 дополнительно включает в себя топливный инжектор 934 и воспламенитель 932, расположенные вблизи камеры 903 сгорания. Как описано более подробно ниже, впускной клапан 931 открывается в камеру 903 сгорания в избранные моменты в ходе работы двигателя для впуска свежих доз всасываемой смеси через соответствующее впускное отверстие (не показано). Выпускной клапан 930 также открывается в камеру 903 сгорания в заданные моменты при работе двигателя для обеспечения выпуска выхлопных газов через соответствующее выпускное отверстие (также не показано).
На фиг.10А-10D показан ряд схематических видов в плане двигателя 900, работающего в четырехтактном режиме в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как показано сначала на фиг.10A, лопатки 940 находятся в самой внутренней части их поворотного хода, которая для простоты ссылок может упоминаться как положение в верхней мертвой точке в такте сжатия. В этой точке в цикле топливный инжектор 934 впрыскивает топливо в камеру 203 сгорания и воспламенитель 932 воспламеняет сжатую топливно-воздушную смесь. Происходящее в результате сгорание перемещает лопатки 940 наружу вокруг осей Р вращения в направлении по часовой стрелке.
При продолжении вращения лопаток 940 наружу к положению, показанному на фиг.10B, первая кромочная часть 945 каждой из лопаток 940 скользит по обегаемой поверхности 944 смежной лопатки 940, уплотняя расширяющуюся камеру 903 сгорания. Кроме того, в этот момент выпускной клапан 930 начинает открываться, обеспечивая начало выпуска выхлопных газов из камеры 903 сгорания.
Как показано далее на фиг.10С, продолжение вращения лопаток 940 в направлении по часовой стрелке обеспечивает вытеснение выхлопных газов из камеры 903 сгорания, когда камера 903 сгорания начинает сокращаться. Когда лопатки 940 приближаются к положению в верхней мертвой точке в такте выпуска, как показано на фиг.10D, выпускной клапан 930 начинает закрываться, а впускной клапан 931 начинает открываться, обеспечивая начало впуска свежей дозы всасываемой смеси в камеру 903 сгорания. Когда лопатки 940 достигают положения, показанного на фиг.10D, лопатки 940 останавливаются и начинают вращаться в направлении против часовой стрелки вокруг их соответствующих осей Р вращения.
Впускной клапан 931 продолжает открываться, когда лопатки 940 приближаются к положению, показанному на фиг.10C, обеспечивая заполнение камеры 903 сгорания свежей дозой всасываемой смеси. Когда лопатки 940 достигают положения, показанного на фиг.10С, впускной клапан 931 начинает закрываться таким образом, что продолжающееся вращение лопаток 940 в направлении против часовой стрелки обеспечивает сжатие всасываемой смеси. Когда лопатки 940 достигают положения в верхней мертвой точке, показанного на фиг.10А, всасываемая смесь полностью сжата. В этот или приблизительно в этот момент топливный инжектор 934 впрыскивает свежую дозу всасываемой топливной смеси в камеру 903 сгорания и воспламенитель 932 воспламеняет сжатую топливно-воздушную смесь. Происходящее в результате сгорание перемещает лопатки 940 наружу в направлении по часовой стрелке и цикл, описанный выше, повторяется.
На фиг.11 показан схематический вид в плане части радиального импульсного двигателя 1100 ("двигатель 1100"), который подобен двигателю 900, описанному выше со ссылками на фиг.9-10D. Например, двигатель 1100 включает в себя три лопатки 1140 (указаны индивидуально как лопатки 1140а-с), выполненные с возможностью вращения вокруг соответствующих осей Р вращения (указаны индивидуально как оси Ра-с вращения). Однако в этом конкретном варианте осуществления изобретения каждая из лопаток 1140 включает в себя две обегаемые поверхности 1144 (указаны индивидуально как первая обегаемая поверхность 1144а и вторая обегаемая поверхность 1144b). Конфигурация лопаток с двумя обегаемыми поверхностями, показанная на фиг.11, может быть представлена как две из лопаток 940, показанных на фиг.9, расположенных рядом друг с другом. Наличие двух поверхностей, выполненных таким образом, позволяет лопаткам 1140 продолжать вращение вне положения в верхней мертвой точке в ходе работы двигателя, как показано пунктирными линиями на фиг.11. Этот признак позволяет двигателю 1100 работать с более длинными ходами возвратно-поступательного движения, чем у двигателя 900, описанного выше. В другом варианте осуществления изобретения этот признак может также позволять двигателю 1100 работать с однонаправленным вращением лопатки, если желательно, таким образом, исключая любое циклическое движение назад и вперед.
На фиг.12А-12В показаны схематические виды в плане части радиального импульсного двигателя 1200 ("двигатель 1200"), выполненного в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения. Как совместно показано на фиг.12А и 12 В, двигатель 1200 включает в себя множество лопаток 1240 (указаны индивидуально как лопатки 1240a-f), выполненных с возможностью вращения назад и вперед вокруг соответствующих осей Р вращения (указаны индивидуально как оси Pa-f вращения). Каждая лопатка 1240 включает в себя обегаемую поверхность 1244 (указаны индивидуально как обегаемые поверхности 1244a-f), имеющую радиус кривизны R, который равен расстоянию по прямой линии между осью Р поворота и смежным кривошипным валом 1220.
Когда лопатки 1240 находятся в положении верхней мертвой точке, показанном на фиг.12А, они образуют камеру 1203 сгорания. Зажигание топливно-воздушной смеси в камере 1203 сгорания перемещает наружу лопатки 1240 вокруг осей Р вращения в направлении по часовой стрелке. Когда каждая лопатка 1240 вращается, ее обегаемая поверхность 1244 уплотнена относительно кривошипного вала 1220 соседней лопатки 1240, как показано на фиг.12В. Когда лопатки 1240 достигают положения нижней мертвой точки, как показано на фиг.12В, они останавливаются и изменяют направление вращения на обратное к положению в верхней мертвой точке, показанному на фиг.12А.
Ряд компонентов двигателей 1100 и 1200 не показан на фиг.11-12В для лучшего иллюстрирования признаков этих конкретных конфигураций лопаток. Однако специалистам в данной области техники будет понятно, что двигатели 1100 и 1200 могут включать в себя различные комбинации признаков впуска, выпуска, зажигания, синхронизации, отбора мощности и/или других признаков, описанных подробно выше со ссылками на фиг.1-8, для работы как в двухтактном, так и в четырехтактном режиме. Кроме того, другие двигатели, подобные по конструкции и работе двигателю 1200, могут включать в себя больше или меньше лопаток, подобных лопаткам 1240. Например, в одном другом варианте осуществления изобретения двигатель, подобный двигателю 1200, может включать в себя четыре лопатки, подобных по конструкции и работе лопаткам 1240. В других вариантах осуществления изобретения другие двигатели могут содержать семь, восемь или девять лопаток, подобных лопаткам 1240.
Кроме того, двигатели 1100 и 1200 могут также включать один или более признаков, описанных подробно в заявке на патент США №60/676017. Кроме того, специалистам в данной области техники будет легко понять, что многие, если не все, двигатели, описанные здесь и в заявке на патент США №60/676017, могут включать в себя другие компоненты, известные в данной области техники, для осуществления функций впуска, выпуска, зажигания, синхронизации, отъема мощности и/или других функций двигателя, не отступая от сущности или объема настоящего изобретения.
На фиг.13А-13С показан ряд схематических видов двухцилиндрового радиального импульсного двигателя 1300 ("двигатель 1300"), выполненного в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения. Как показано на фиг.13А, согласно одному объекту этого варианта осуществления изобретения двигатель 1300 включает в себя подвижную полуцилиндровую лопатку 1340 и стационарный блок 1350. Стационарный блок 1350 включает в себя первую обегаемую поверхность 1346а и вторую обегаемую поверхность 1346b. Лопатка 1340 включает в себя третью обегаемую поверхность 1346c, проходящую между первой кромочной частью 1345а и второй кромочной частью 1345b. Каждая из обегаемых поверхностей 1346 имеет радиус кривизны R.
Согласно другому объекту этого варианта осуществления изобретения лопатка 1340 с возможностью движения удерживается двумя параллельными соединениями 1360а и 1360b. Каждое из соединений 1360 имеет длину L, которая эквивалентна радиусу кривизны R обегаемых поверхностей 1346. В ходе действия двигателя 1300 лопатка 1340 качается назад и вперед на параллельных соединениях 1360, когда первая и вторая кромочные части 1345 скользят по обегаемым поверхностям 1346 блока 1350 двигателя.
Каждое из соединений 1360 может быть в рабочем положении соединено с соответствующим кривошипным валом 1320 (указаны индивидуально как кривошипные валы 1320а и 1320b), который выполнен с возможностью вращения вокруг соответствующей оси Р вращения (указаны индивидуально как оси Ра и Рb вращения). В показанном варианте осуществления изобретения каждый из кривошипных валов 1320 может в рабочем положении входить в зацепление с соответствующей распределительной шестерней 1322. Каждая из распределительных шестерен 1322 может входить в зацепление с зубчатым венцом 1328, который в рабочем положении соединен с шатуном 1362 через плечо 1329 кривошипа. Шатун 1362 в свою очередь в рабочем положении соединен с коленчатым валом 1370.
Согласно другому объекту этого варианта осуществления изобретения двигатель 1300 дополнительно включает в себя первый топливный инжектор 1334а, первый воспламенитель 1332а и первый выпускной клапан 1330а, расположенный вблизи первой камеры 1303а сгорания, и второй топливный инжектор 1334b, второй воспламенитель 1332b и второй выпускной клапан 1330b, расположенный вблизи второй камеры 1303b сгорания. Хотя это не показано на фиг.13А, двигатель 1300 может также включать в себя первый и второй впускные клапаны, выполненные с возможностью впуска свежих доз всасываемой смеси в первую и вторую камеры 1303 сгорания соответственно при работе двигателя.
Когда лопатка 1340 движется к положению, показанному на фиг.13А, она вызывает всасывание свежей дозы всасываемой смеси в первую камеру 1303а сгорания и сжатие всасываемой смеси во второй камере 1303b сгорания. Таким образом, в этом положении лопатка 1340 находится в положении нижней мертвой точки в такте впуска для первой камеры 1303а сгорания и в положении верхней мертвой точки в такте сжатия для второй камеры 1303b сгорания. В этот или приблизительно в этот момент второй топливный инжектор 1334b впрыскивает топливо во вторую камеру 1303b сгорания и второй воспламенитель 1332b воспламеняет сжатую топливно-воздушную смесь. Происходящее в результате этого сгорание вызывает перемещение лопатки 1340 вправо, когда параллельные соединения 1360 поворачиваются против часовой стрелки вокруг их соответствующих осей Р вращения.
Когда лопатка 1340 поворачивается к положению, показанному на фиг.13В, первая и вторая кромочные части 1345 скользят по обегаемым поверхностям 1346 блока 1350 двигателя, достаточно уплотняя камеры 1303 сгорания. В первой камере 1303а сгорания всасываемая смесь сжимается, когда расширяющиеся газы во второй камере 1303b сгорания продолжают перемещать лопатку 1340 вправо. Во второй камере 1303b сгорания второй выпускной клапан 1330b начинает открываться, когда лопатка 1340 приближается к положению, показанному на фиг.13С.
На фиг.13С лопатка 1340 показана в положении верхней мертвой точки в такте сжатия для первой камеры 1303а сгорания и в положении нижней мертвой точки при рабочем ходе для второй камеры 1303b сгорания. В этот или приблизительно в этот момент первый топливный инжектор 1334a впрыскивает топливо в первую камеру 1303а сгорания и сжатая топливно-воздушная смесь воспламеняется первым воспламенителем 1332а. Происходящее в результате этого сгорание вызывает перемещение лопатки 1340 влево, когда параллельные соединения 1360 поворачиваются в направлении по часовой стрелке вокруг их соответствующих осей Р вращения. Когда лопатка 1340 перемещается справа налево, она вытесняет отработанные газы из второй камеры 1303b сгорания через открытый выпускной клапан 1330b. К моменту, когда лопатка 1340 достигает положения, показанного на фиг.13В, второй выпускной клапан 1330b полностью открыт для максимизации выпуска из второй камеры 1303b сгорания.
Когда лопатка 1340 приближается к положению, показанному на фиг.13A, первый выпускной клапан 1330а начинает открываться таким образом, что отработанные газы могут начинать выходить из первой камеры 1303a сгорания. В этот момент второй выпускной клапан 1330b во второй камере 1303b сгорания полностью или почти полностью закрыт. Когда лопатка 1340 останавливается и изменяет направление движения на обратное, продолжение перемещения слева направо вызывает вытеснение отработанных газов из первой камеры 1303а сгорания с прохождением через открытый выпускной клапан 1330а и всасывает свежую дозу всасываемой смеси во вторую камеру 1303b сгорания через открытый впускной клапан (не показан).
Когда лопатка 1340 снова достигает положения, показанного на фиг.13С, впускной клапан (не показан) во второй камере 1303b сгорания теперь полностью или почти полностью закрыт.Дальнейшее перемещение лопатки 1340 справа налево к положению, показанному на фиг.13А, вызывает сжатие всасываемой смеси во второй камере 1303b сгорания при всасывании свежей дозы смеси в первую камеру 1303а сгорания. Когда лопатка 1340 достигает положения, показанного на фиг.13А, она снова будет в положении нижней мертвой точки в такте впуска для первой камеры 1303а сгорания и в положении верхней мертвой точки в такте сжатия для второй камеры 1303b сгорания. Соответственно в этот или приблизительно в этот момент второй топливный инжектор 1334b впрыскивает топливо во вторую камеру 1303b сгорания и воспламенитель 1332b воспламеняет полученную топливно-воздушную смесь. Происходящее в результате сгорание вызывает перемещение лопатки 1340 вправо и повторение описанного выше цикла четырехтактного двигателя.
Хотя выше со ссылками на фиг.13А-13С описан для иллюстрации двухцилиндровый радиальный импульсный двигатель, в других вариантах осуществления изобретения другие двигатели, подобные двигателю 1300, могут включать в себя больше лопаток, подобных лопаткам 1340, и больше обегаемых поверхностей, подобных обегаемым поверхностям 1346. Например, в одном другом варианте осуществления изобретения радиальный импульсный двигатель, подобный двигателю 1300, может включать в себя две полуцилиндрические лопатки, которые соединены друг с другом и движутся назад и вперед по четырем соответствующим обегаемым поверхностям. В других вариантах осуществления изобретения другие двигатели (или в альтернативном варианте другие насосные системы) могут включать в себя три или больше лопаток, соединенных друг с другом, которые обегают шесть или более соответствующих обегаемых поверхностей. Такие конфигурации могут быть предпочтительны в конфигурации насоса, в которой желательно накачивать равные или пропорциональные количества различных жидкостей из отдельных камер. Как понятно из предшествующего описания, изобретательские аспекты, раскрытые на фиг.13А-13С, не ограничены конкретным показанным вариантом конструкции.
На фиг.14А-14D показан ряд схематических видов в плане части радиального импульсного двигателя 1400 ("двигатель 1400"), выполненного в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения. Как показано на фиг.14А, двигатель 1400 включает в себя множество лопаток 1440 (указаны индивидуально как лопатки 1440a-d), в рабочем положении соединенных с отдельными соединениями 1460 (указаны индивидуально как соединения 1460а-d). Каждая из лопаток 1440 включает в себя обегаемую поверхность 1446 (указаны индивидуально как обегаемые поверхности 1446a-d), которая формирует 90-градусный сегмент круглой камеры 1403 сгорания. Каждая лопатка 1440 дополнительно включает в себя кромочную часть 1445 (указаны индивидуально как кромочные части 1445a-d), выполненную с возможностью обегания обегаемой поверхности 1446 соседней лопатки 1440 при работе двигателя.
Как показано на фиг.14А-14D, при работе двигателя лопатки 1440 совершают возвратно-поступательное движение в унисон, когда соединения 1460 поворачиваются назад и вперед вокруг осей Р вращения (указаны индивидуально как оси Pa-d вращения). Как показано на чертежах, лопатки 1440 перемещаются, но не вращаются относительно друг друга. Хотя это не показано на чертежах, двигатель 1400 может также включать в себя систему зубчатых передач, соединений и/или других устройств для поддержания выровненного положения лопаток при работе двигателя.
Как также показано на фиг.14А-14D, когда лопатки 1440 перемещаются внутрь по их дугообразным траекториям движения, они сжимают объем камеры 1403 сгорания. Подобным образом, после того как лопатки 1440 достигают положения верхней мертвой точки, показанного на фиг.14D, они изменяют направление движения на обратное и перемещаются наружу, вызывая расширение камеры 1403 сгорания. Хотя необходимые признаки впуска, выпуска, зажигания, отбора мощности, и/или другие признаки, необходимые для работы двигателя, не показаны на фиг.14А-14D для ясности, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные комбинации таких признаков, описанных здесь и в заявке на патент США №60/676017, могут быть включены в двигатель 1400 для выполнения этих функций.
Хотя описанный выше двигатель 1400 включает в себя четыре 90-градусных лопатки 1440, в других вариантах осуществления изобретения другие двигатели, выполненные в соответствии с объектами настоящего изобретения, могут включать больше или меньше лопаток подобной конструкции. Например, в другом варианте осуществления изобретения подобный двигатель может содержать три 120-градусных лопатки. В другом варианте осуществления изобретения другой подобный двигатель может содержать пять лопаток, каждая из которых имеет протяженность 72 градуса. Соответственно, изобретательские аспекты для двигателя 1400 не ограничены конкретным показанным вариантом конструкции, но распространяются на другие двигатели, имеющие больше или меньше лопаток, которые работают подобным образом.
На фиг.15А-15D показан ряд схематических видов в плане части лопаточного устройства 1500, выполненного в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения. Как показано на фиг.15А, многие признаки лопаточного устройства 1500 в целом подобны по конструкции и работе соответствующим признакам двигателя 1300, описанным выше со ссылками на фиг.13А-13С. Однако в показанном варианте осуществления изобретения лопаточное устройство 1500 включает в себя две подвижные лопатки 1540а и 1540b и зафиксированную лопатку 1540с. Каждая из лопаток 1540 содержит обегаемую поверхность 1546 (указаны индивидуально как обегаемые поверхности 1546а-с), проходящую между первой кромочной частью 1545 (указаны индивидуально как первые кромочные части 1545а-с) и второй кромочной частью 1547 (указаны индивидуально как вторые кромочные части 1547а-с). Подвижные лопатки 1540а и 1540b в рабочем положении соединены с противоположными концами соединений 1560, которые вращаются в направлении против часовой стрелки вокруг зафиксированной оси Р вращения.
Как показано на фиг.15А-15D, первая лопатка 1540а и вторая лопатка 1540b обегают фиксированную лопатку 1540с, когда соединение 1560 вращается в направлении против часовой стрелки вокруг оси Р вращения. Это движение вызывает сокращение камеры 1503 от полного объема, когда противоположные кромочные части 1545 и 1547 совмещены (см., например, фиг.15А), до по существу нулевого объема, когда одна из подвижных лопаток 1540а или 1540b отходит от неподвижной лопатки 1540с (см., например, фиг.15С). Хотя это не показано на чертежах, лопаточное устройство 1500 может включать в себя ряд зубчатых передач, соединений и/или других устройств для поддержания выравнивания подвижных лопаток 1540а и 1540b относительно неподвижной лопатки 1540c и относительно друг друга при работе.
В одном варианте осуществления изобретения сокращающаяся камера 1503 может использоваться как часть насосной или компрессорной системы. В других вариантах осуществления изобретения различные объекты лопаточного устройства 1500 могут использоваться в двигателях внутреннего сгорания, паровых поршневых двигателях и других полезных машинах.
При ознакомлении с изложенным выше будет понятно, что конкретные варианты осуществления изобретения были описаны здесь для примера, при этом без отхода от сущности и объема изобретения могут быть сделаны различные модификации. Например, объекты изобретения, описанного в контексте конкретных вариантов конструкции, могут быть скомбинированы или исключены в других вариантах осуществления изобретения. Кроме того, хотя преимущества, связанные с некоторыми вариантами осуществления изобретения, были описаны в контексте этих вариантов конструкции, другие варианты осуществления изобретения могут также демонстрировать такие преимущества, и не все варианты конструкции обязательно будут демонстрировать такие преимущества, находясь в пределах объема изобретения. Соответственно, изобретение не ограничено ничем, кроме прилагаемой формулы изобретения.
1. Двигатель, содержащий: первую торцевую стеночную часть; вторую торцевую стеночную часть, отстоящую от первой торцевой стеночной части, для образования, по меньшей мере, частично камеры высокого давления между ними; первый подвижный элемент, в рабочем положении расположенный между первой и второй торцевыми стеночными частями, причем первый подвижный элемент имеет первую кромочную часть и первую цилиндрическую поверхность; и второй подвижный элемент, в рабочем положении расположенный между первой и второй торцевыми стеночными частями, причем второй подвижный элемент имеет вторую кромочную часть и вторую цилиндрическую поверхность, при этом первая кромочная часть первого подвижного элемента выполнена с возможностью скольжения по второй цилиндрической поверхности второго подвижного элемента, а вторая кромочная часть второго подвижного элемента выполнена с возможностью скольжения по первой цилиндрической поверхности первого подвижного элемента, когда первый подвижный элемент поворачивается вокруг первой оси вращения, а второй подвижный элемент поворачивается вокруг второй оси вращения.
2. Двигатель по п.1, в котором первая и вторая оси вращения зафиксированы относительно первой и второй торцевых стеночных частей.
3. Двигатель по п.1, в котором первая и вторая оси вращения проходят сквозь первую и вторую торцевые стеночные части.
4. Двигатель по п.1, в котором, по меньшей мере, первый подвижный элемент имеет "V-образную" форму.
5. Двигатель по п.1, в котором первый подвижный элемент включает в себя первую стеночную часть, имеющую первую кромочную часть, и вторую стеночную часть, имеющую первую цилиндрическую поверхность, при этом второй подвижный элемент включает в себя третью стеночную часть, имеющую вторую кромочную часть, и четвертую стеночную часть, имеющую вторую цилиндрическую поверхность.
6. Двигатель по п.5, в котором первая и вторая стеночные части первого подвижного элемента образуют "V-образную" форму.
7. Двигатель по п.5, в котором первая и вторая стеночные части первого подвижного элемента образуют угол от 90 до 180°.
8. Двигатель по п.1, в котором первый подвижный элемент, по меньшей мере, по существу, идентичен второму подвижному элементу.
9. Двигатель по п.1, в котором первая ось вращения отстоит от второй оси вращения на расстояние D, при этом первая цилиндрическая поверхность имеет радиус кривизны R, который, по меньшей мере, приблизительно равен D.
10. Двигатель по п.1, в котором первая ось вращения отстоит от второй оси вращения на расстояние D, при этом первая цилиндрическая поверхность и вторая цилиндрическая поверхность имеют радиус кривизны R, который, по меньшей мере, приблизительно равен D.
11. Двигатель по п.1, в котором первая торцевая стеночная часть включает в себя, по меньшей мере, один вырез для впуска топливно-воздушной смеси в камеру высокого давления.
12. Двигатель по п.1, в котором первая торцевая стеночная часть включает в себя, по меньшей мере, одно передаточное отверстие для впуска топливно-воздушной смеси в камеру высокого давления.
13. Двигатель по п.1, в котором первая торцевая стеночная часть включает в себя, по меньшей мере, одно отверстие для выпуска отработанных газов из камеры высокого давления.
14. Двигатель по п.1, в котором первая торцевая стеночная часть включает в себя, по меньшей мере, одно отверстие для впуска топливно-воздушной смеси в камеру высокого давления, при этом вторая торцевая стеночная часть включает в себя, по меньшей мере, одно отверстие для выпуска отработанных газов из камеры высокого давления.
15. Двигатель, содержащий: первую торцевую стеночную часть; вторую торцевую стеночную часть, отстоящую от первой торцевой стеночной части, для, по меньшей мере, частичного образования камеры высокого давления между ними; первый подвижный элемент, в рабочем положении расположенный между первой и второй торцевыми стеночными частями, причем первый подвижный элемент имеет первую стеночную часть, расположенную смежно со второй стеночной частью, при этом первая стеночная часть имеет первую кромочную часть и первую цилиндрическую поверхность, а вторая стеночная часть имеет вторую кромочную часть и вторую цилиндрическую поверхность; и второй подвижный элемент, в рабочем положении расположенный между первой и второй торцевыми стеночными частями, причем второй подвижный элемент имеет третью стеночную часть, расположенную смежно с четвертой стеночной частью, и третья стеночная часть имеет третью кромочную часть и третью цилиндрическую поверхность, при этом четвертая стеночная часть имеет четвертую кромочную часть и четвертую цилиндрическую поверхность, причем первая кромочная часть первой стеночной части выполнена с возможностью скольжения по третьей цилиндрической поверхности третьей стеночной части, а четвертая кромочная часть четвертой стеночной части выполнена с возможностью скольжения по второй цилиндрической поверхности второй стеночной части, когда первый подвижный элемент поворачивается вокруг первой оси вращения, а второй подвижный элемент поворачивается вокруг второй оси вращения.
16. Двигатель по п.15, в котором первая кромочная часть первой стеночной части выполнена с возможностью скольжения по третьей цилиндрической поверхности третьей стеночной части, и четвертая кромочная часть четвертой стеночной части выполнена с возможностью скольжения по второй цилиндрической поверхности второй стеночной части, когда первый подвижный элемент вращается вокруг первой оси вращения в первом направлении, а второй подвижный элемент вращается вокруг второй оси вращения в первом направлении.
17. Двигатель по п.15, в котором вторая кромочная часть второй стеночной части выполнена с возможностью скольжения по четвертой цилиндрической поверхности четвертой стеночной части, и третья кромочная часть третьей стеночной части выполнена с возможностью скольжения по первой цилиндрической поверхности первой стеночной части, когда первый подвижный элемент вращается вокруг первой оси вращения, а второй подвижный элемент вращается вокруг второй оси вращения.
18. Двигатель по п.15, в котором первая кромочная часть первой стеночной части выполнена с возможностью скольжения по третьей цилиндрической поверхности третьей стеночной части, и четвертая кромочная часть четвертой стеночной части выполнена с возможностью скольжения по второй цилиндрической поверхности второй стеночной части, когда первый подвижный элемент вращается вокруг первой оси вращения в первом направлении, а второй подвижный элемент вращается вокруг второй оси вращения в первом направлении; при этом вторая кромочная часть второй стеночной части выполнена с возможностью скольжения по четвертой цилиндрической поверхности четвертой стеночной части, и третья кромочная часть третьей стеночной части выполнена с возможностью скольжения по первой цилиндрической поверхности первой стеночной части, когда первый подвижный элемент вращается вокруг первой оси вращения во втором направлении, противоположном первому направлению, а второй подвижный элемент вращается вокруг второй оси вращения во втором направлении.
19. Двигатель по п.15, дополнительно включающий в себя синхронизирующую зубчатую передачу, в рабочем положении соединяющую первый подвижный элемент со вторым подвижным элементом.
20. Двигатель по п.15, в котором первая кромочная часть первой стеночной части несет уплотнение, выполненное с возможностью скольжения по цилиндрической поверхности третьей стеночной части, когда первый подвижный элемент вращается вокруг первой оси вращения, а второй подвижный элемент вращается вокруг второй оси вращения.
21. Двигатель по п.15, дополнительно включающий в себя топливный инжектор, который установлен на первой торцевой стеночной части, причем камера высокого давления представляет собой камеру сгорания, а топливный инжектор выполнен с возможностью впрыскивания топлива в камеру сгорания.
22. Двигатель по п.15, дополнительно включающий в себя воспламенитель, удерживаемый первой торцевой стеночной частью, причем камера высокого давления представляет собой камеру сгорания, а воспламенитель выполнен с возможностью воспламенения воздушно-топливной смеси в камере сгорания.
23. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий: камеру сгорания; первый подвижный элемент, расположенный вблизи камеры сгорания, причем первый подвижный элемент имеет первую кромочную часть и первую цилиндрическую поверхность; второй подвижный элемент, расположенный вблизи камеры сгорания, причем второй подвижный элемент имеет вторую кромочную часть и вторую цилиндрическую поверхность; средство для впрыска топлива в камеру сгорания; и средство для воспламенения топлива в камере сгорания, таким образом, вызывающего скольжение первой кромочной части первого подвижного элемента по второй цилиндрической поверхности второго подвижного элемента, и скольжение второй кромочной части второго подвижного элемента по первой цилиндрической поверхности первого подвижного элемента, когда первый подвижный элемент вращается вокруг первой оси вращения, а второй подвижный элемент вращается вокруг второй оси вращения.
24. Двигатель по п.23, дополнительно содержащий средство для выпуска отработанного газа из камеры сгорания.
25. Двигатель по п.23, дополнительно содержащий средство для синхронизации перемещения первого и второго подвижных элементов.
26. Двигатель по п.23, дополнительно содержащий средство для преобразования поворотного движения первого и второго подвижных элементов во вращательное движение связанного с ними коленчатого вала.
