РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И РОТОРНАЯ МАШИНА Российский патент 1999 года по МПК F02B57/04 F01C1/00 F04C2/00 

Настоящее изобретение касается радиального двигателя внутреннего сгорания со сферическими поршнями, имеющего уникальную криволинейную поверхность, позволяющую достичь относительно постоянную скорость возвратно-поступательного движения поршней.

В патенте США N 5 257 599 описан радиальный двигатель внутреннего сгорания со сферическими поршнями, которые ходят по круговой криволинейной поверхности, центр вращения которой смещен от центра вращения цилиндров. Кроме качения по криволинейной поверхности при круговом движении сферические поршни совершают также возвратно- поступательное движение относительно цилиндров. Скорость движения каждого поршня вдоль его круговой траектории так же как и его относительное возвратно-поступательное движение значительно меняются на протяжении всего цикла вращения. Этот роторный двигатель внутреннего сгорания, содержит неподвижный корпус, установленный в нем цилиндрический статор, размещенный в кольцевом пространстве между корпусом и статором цилиндрический ротор, соединенный с валом отбора мощности и включающий, по меньшей мере, два ряда радиально расположенных цилиндров, смещенных друг от друга вдоль оси вращения ротора и образующих компрессионные и рабочие цилиндры двигателя, причем в каждом цилиндре, целиком проходящем через кольцевую стенку ротора, установлен с возможностью вращения и возвратно-поступательного движения сферический поршень.

Известна роторная машина, которая содержит неподвижный корпус, установленные в нем цилиндрический статор и цилиндрический ротор, соединенный с валом отбора мощности и включающий ряд радиально расположенных рабочих цилиндров, при этом каждый цилиндр выполнен целиком проходящим через кольцевую стенку ротора с возможностью сообщения со статором и содержит сферический поршень, установленный с возможностью свободного вращения и возвратно-поступательного движения (DE, патент 2912254, кл. F 01 C 1/34, 1982, 18 л).

Неравномерная скорость движения сферических поршней по их круговым траекториям ведет к их некоторому скольжению и проскальзыванию вместо только качения по криволинейной поверхности при изменениях скорости. Это вызывает чрезмерный износ вследствие трения и повышенный шум. Кроме этого, неравномерное движение может вызвать "группирование" поршней в течение одной части каждого цикла, что ведет к разбалансированию и увеличенной вибрации двигателя.

В основу изобретения положена задача создать такие роторный двигатель внутреннего сгорания и роторную машину, которые обеспечивали равномерное качение каждого поршня по круговой траектории и постоянную скорость относительного возвратно-поступательного движения в каждом цилиндре, а также повышение их надежности и долговечности.

Поставленная задача решается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем неподвижный корпус, установленный в нем цилиндрический статор, размещенный в кольцевом пространстве между корпусом и статором цилиндрический ротор, соединенный с валом отбора мощности и включающий, по меньшей мере, два ряда радиально расположенных цилиндров, смещенных друг от друга вдоль оси вращения ротора и образующих компрессионные и рабочие цилиндры двигателя, причем в каждом цилиндре, целиком проходящем через кольцевую стенку ротора, установлен с возможностью вращения и возвратно-поступательного движения сферический поршень, согласно изобретению в корпусе выполнены неподвижные криволинейные направляющие дорожки, каждая из которых образована парой круговых кромок, с расстоянием между ними, обеспечивающим возвратно-поступательное движение поршней внутри цилиндров за счет контакта пары кромок с каждым поршнем соответствующего ряда.

Поставленная задача решается также и тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем неподвижный корпус, установленный в нем цилиндрический статор, размещенный в кольцевом пространстве между корпусом и статором цилиндрический ротор, соединенный с валом отбора мощности и включающий, по меньшей мере, два ряда радиально расположенных цилиндров, смещенных друг от друга вдоль оси вращения ротора и образующих компрессионные и рабочие цилиндры двигателя, причем в каждом цилиндре, целиком проходящем через кольцевую стенку ротора, установлен с возможностью свободного вращения и возвратно-поступательного движения сферический поршень, согласно изобретению, на внутренней поверхности корпуса выполнены неподвижные криволинейные направляющие дорожки, каждая из которых имеет ось, совпадающую с осью вращения ротора и образована парой круговых кромок, с расстоянием между ними, обеспечивающим возвратно-поступательное движение поршней внутри цилиндров при повороте двигателя на 360^o за счет контакта пары кромок с каждым поршнем соответствующего ряда.

Цилиндр двигателя имеет круглое сужение для сообщения со статором, диаметр поперечного сечения которого меньше диаметра поперечного сечения цилиндра, а площадь поперечного сечения цилиндра в два раза больше поперечного сечения его сужения. Поршни, движущиеся в цилиндрах, имеют такие размеры, которые позволяют некоторым газам проходить мимо поршней, и имеют средства для рециркуляции таких выходных газов в воздух, впускаемый в компрессионные цилиндры. Статор включает средства для подачи воздуха к компрессионным цилиндрам, средства для инжектирования топлива в сжатый воздух и передачи топливно-воздушной смеси к рабочим цилиндрам двигателя и средства для удаления продуктов расширения из рабочих цилиндров.

Кроме того, статор может включать средства для воспламенения смеси, включающей топливо и сжатый воздух, поданный к рабочим цилиндрам.

Предпочтительно роторный двигатель содержит средства для охлаждения сжатого воздуха, впускаемого в рабочие цилиндры.

Поставленная задача решается также и тем, что в роторной машине, содержащей неподвижный корпус, установленные в корпусе цилиндрические статор и ротор, соединенный с валом отбора мощности и включающий ряд радиально расположенных рабочих цилиндров, при этом каждый цилиндр выполнен целиком проходящим через кольцевую стенку ротора с возможностью сообщения со статором и содержит сферический поршень, установленный с возможностью свободного вращения и возвратно-поступательного движения, согласно изобретению, ротор установлен в кольцевом пространстве между корпусом и статором, в корпусе выполнена пара неподвижных круговых кромок, имеющих ось совпадающую с осью вращения ротора, с расстоянием между ними, обеспечивающим заданный характер движения поршней в цилиндрах за счет контакта пары кромок с поршнями, а каждый цилиндр содержит круглое сужение, диаметр поперечного сечения которого меньше диаметра поперечного сечения цилиндра.

В радиальном двигателе внутреннего сгорания, в котором используются сферические поршни, в соответствии с основными концепциями изобретения, отсутствуют обычные гидравлические поршни с кожаной или резиновой манжетой, соединительные звенья, коленчатый вал или другие вибрирующие передачи. Вместо этих элементов двигатель содержит цилиндрический ротор с двумя или более рядами радиально расположенных цилиндров. Сферический поршень в каждом цилиндре ходит по направляющей дорожке, которая расположена концентрично относительно ротора, чем обеспечивается в основном равномерное его возвратно-поступательное движение.

Цилиндрический ротор включает несколько вращающихся цилиндров, внутри каждого из которых совершает качение сферический поршень, причем это качение осуществляется вокруг внутренней стенки корпуса двигателя по уникальной криволинейной поверхности другого круга, при этом поршень удерживается на этих траекториях центробежной силой. Упомянутые два круга расположены концентрически, т. е. соосно по отношению друг к другу таким образом, что каждый сферический поршень совершает возвратно-поступательное движение в его собственном цилиндре. Форма криволинейной поверхности обеспечивает в основном равномерное возвратно-поступательное движение каждого сферического поршня в его цилиндре.

Отдельные цилиндры предусмотрены для сжатия смеси (далее по тексту - компрессионные цилиндры) и для воспламенения, сгорания и расширения (далее по тексту - рабочие цилиндры).

Сферические поршни в компрессионных цилиндрах выполняют функцию всасывания и сжатия впускаемого воздуха. За один оборот все сферические поршни в компрессионных цилиндрах проходят через такт впуска, такт сжатия и затем сжатый воздух идет снаружи двигателя к промежуточному охладителю.

Затем сжатый воздух с добавленным топливом поступает по передающей трубе к рабочим цилиндрам. После получения из передающей трубы воздушно-топливного заряда цилиндры и поршни рабочих цилиндров проходят над жаровой трубой с целью воспламенения заряда.

Рабочие цилиндры выравнены так, что при воспламенении заряда поршень начинает двигаться в наружном направлении. После полного расширения газа в течение рабочего такта, открывается выхлопное отверстие, а сферические поршни движутся внутрь, вытесняя продукты сгорания. Размеры рабочего цилиндра и ход поршня выбираются так, чтобы достичь полного расширения отработанных продуктов. В соответствии с предпочтительным воплощением изобретения, с одним рядом компрессионных цилиндров используется два ряда рабочих цилиндров.

В соответствии с настоящим в изобретение, могут быть значительно уменьшены упомянутые скольжение, проскальзывание, а также группирование сферических поршней.

Другие преимущества настоящего изобретения станут очевиднее из нижеследующего описания предпочтительных вариантов воплощения настоящего изобретения и чертежей, на которых показано: на фиг. 1 - частичный схематичный вид спереди в разрезе, взятом по 1-1 на фиг. 7, двигателя внутреннего сгорания с поршнями, находящимися в верхней и нижней мертвых точках, иллюстрирующий основные принципы изобретения; на фиг. 1A - схематичная иллюстрация траектории движения сферического поршня при повороте на 360^o; фиг. 2 - разрез, взятый по 2-2 на фиг. 5; фиг. 3 - разрез, взятый по 3-3 на фиг. 5; фиг. 4 - разрез, взятый по 4-4 на фиг. 5; фиг. 5 - вид по 5-5, взятый на фиг. 1; на фиг. 6 - разрез, взятый по 6-6 на фиг. 1; на фиг. 7 - разрез, взятый по 7-7 на фиг. 1;, на фиг. 8 - разрез, взятый по 8-8 на фиг. 1; на фиг. 9 - разрез, взятый по 9-9 на фиг. 1; на фиг. 10 - разрез, взятый по 10-10 на фиг. 1; на фиг. 11 - вид по 11-11, взятый на фиг. 1.

На всех чертежах стрелками показано направление вращения элементов двигателя и направление различных потоков.

Как видно на фиг. 1, 2 и 5-11, двигатель внутреннего сгорания 10 содержит неподвижный цилиндрический корпус 12 с наружной стенкой 14, торцевую стенку 16 и круглое отверстие 18. Последнее закрыто крышкой 22, содержащей торцевую плату 24, прикрепленную к корпусу 12 болтами 25, и цилиндрической формы статор 26, расположенный в корпусе 12.

В кольцевом пространстве между статором 26 и наружной стенкой 14 корпуса 12 расположен ротор 28, имеющий цилиндрическую стенку 30, торцевую стенку 31 и выходной вал 32, проходящий через отверстие 33 в торцевой стенке 16 корпуса 12, с которого снимается мощность двигателя 10.

В стенке 30 ротора 28 образованы три ряда расположенных по кольцу на расстоянии друг от друга цилиндров 34, 36 и 38, в каждом из которых находятся сферические поршни 42, 44 и 46, соответственно.

На фиг. 7 также видно, что каждый цилиндр, например, цилиндр 34 состоит из радиально вытянутого кругового канала со сферическим плечом 34Ь, соответствующим сферическому поршню 42, как показано, и сужения 34с, благодаря чему цилиндр 34 проходит насквозь через стенку 30 ротора 28.

Цилиндры 34 описаны здесь в качестве компрессионных цилиндров в то время, как цилиндры 36 и 38 описаны в качестве рабочих цилиндров по причине, которая будет пояснена ниже.

Внутренняя поверхность 48 стенки 14 корпуса предусмотрена с криволинейной конструкцией, по которой ходят сферические поршни 42. Эта конструкция состоит из гнезда 52 (см. также фиг. 1) в поверхности 48 для описанных ниже целей. Обе - внутренняя поверхность 48 корпусной стенки 14 и наружная поверхность стенки 30 ротора являются кольцевыми и имеют одинаковую ось X вращения.

Ось Y, которая смещена от оси X, как показано на фиг. 7, является центром для кольцевой наружной поверхности стенки 14. Размер отверстия гнезда 52 определяется, как видно на фиг. 1 и 1A, расстоянием между наружными кромками A и B гнезда 52, которое изменяется по периферии внутренней поверхности 48 так, чтобы обеспечить движение поршней 42 в каждом цилиндре 34 с равномерной скоростью, по мере вращения ротора 28. Если требуется, расстояние между наружными кромками A и B может изменяться по периферии внутренней поверхности 48 с целью получения любого другого желаемого относительного движения поршней в соответствующих цилиндрах.

Следует отметить, что сферические поршни фактически не совершают возвратно-поступательное движение. Они движутся по орбите близкой к круговой, но только внутри каждого цилиндра их движение представляется возвратно-поступательным.

Глубина гнезда 52 в корпусной стенке 14 изменяется по ее внутренней периферии для вмещения поршней, причем для поршней 44 и 46 выполнена та же конфигурация периферии. Кромки A и B, образующие направляющую дорожку, по которой катятся сферически поршни, расположены на внутренней поверхности 48 корпусной стенки 14.

Как схематично показано на фиг. 1а, сферические поршни 42 ходят и крутятся на кромках A и B по мере вращения ротора так, что при изменениях размера сферических поршней 42 они совершают возвратно-поступательное движение внутри цилиндров 34.

Поршни 42 удерживаются в контакте с кромками A и B центробежной силой. Поршни 42 никогда не соприкасаются с какой-либо частью гнезда 52 кроме кромок A и B, как видно на чертежах. Поршни 42 одновременно с вращением относительно кромок A и B движутся, как уже упоминалось, по планетарной орбите.

Из фиг. 1, 2, 3, 4 и 7 видно, что по мере вращения ротора 28 поршни 42 движутся от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке наружу так, чтобы воздух входил в цилиндры 34 через впускное отверстие 54, расположенное в статоре 26, в течение части этого цикла. Статор 26 предусмотрен также с впускным трубопроводом (коллектором) 56, в который из множества впускных отверстий 58, показанных также на фиг. 5, поступает свежий воздух.

Поршни 42 движутся внутрь от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, тем самым сжимая воздух до выхода сжатого воздуха через отверстие 64 в статоре 26 непосредственно перед верхней мертвой точкой. Сжатый воздух выходит из статора 26 через выпускное отверстие 64 (фиг. 5) и идет через промежуточный охладитель 66, схематично показанный на фиг. 1. Охладитель 66 имеет обычную конструкцию, где окружающий воздух охлаждает сжатый воздух.

Как видно на фиг. 1 и 8, в рабочие цилиндры 36 и 38 из охладителя 66, через топливно-воздушный коллектор 68 в статоре 26 и отверстия 72 и 73 поступает сжатый воздух в положении поршней в верхней мертвой точке. Топливо инжектируется в сжатый воздух с помощью одного или более сопел 74, расположенных в топливно-воздушном коллекторе 68.

Как видно на фиг. 3, воспламенение смеси обеспечивается свечой зажигания 76, расположенной в жаровой трубе 78 в статоре 26, сообщающейся с цилиндром 36 и 38 через отверстия 72 и 73 в положении поршней в верхней мертвой точке.

В цилиндрах 36 и 38 сферические поршни 44 и 46 взаимодействуют с подобными криволинейными кромками С, D и E, F, соответственно, на гнездах 82 и 84, как описывалось ранее.

В положениях от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки происходит рабочий ход расширения с последующим выхлопом, происходящим, как показано на фиг. 8, через выхлопное отверстие 86 непосредственно перед верхней мертвой точкой. Продукты выхлопа выводятся через выхлопной коллектор 88 и выпуск 92 в выхлопную систему 94. Установленная на выпуске 92 гайка 95, удерживает плату 95а, содержащую впускные отверстия 58 для воздуха.

Как видно также на фиг. 6, газы, выходящие мимо поршней 42, 44 и 46, проходят в кольцевую камеру 96 и через отверстие 98 повторного всасывания попадают во впускной коллектор 56 для осуществления повторного цикла. Сферические поршни и цилиндры выполнены с зазором, допускающим протечки, благодаря чему трение снижается до минимума.

Максимальный поверхностный контакт происходит между внутренней поверхностью ротора 28 и наружной поверхностью статора 26. Площадь поперечного сечения каждого цилиндра, например, цилиндра 34 над сферическим участком 34Ь в два раза больше площади поперечного сечения сужения 34с. Это ведет к уравновешиванию сил, действующих между ротором 28 и статором 26, и дальнейшему уменьшению трения.

При работе двигателя 10 рабочие цилиндры 36 и 38, включающие сферические поршни 44 и 46, соответственно, в течение тактов расширения, развивают усилие, действующее на кромки С, D и E, F, соответственно, вызывая поворот ротора 28 и выдачу мощности через вал 32 с обеспечением сжатия воздуха в цилиндрах 34.

Эта криволинейная конструкция позволяет сферическим поршням наращивать кинетическую энергию вращения в течение поворота на 180 от верхней до нижней мертвых точек по мере смещения точек контакта на каждой сфере, что очень похоже на работу типа "уо-уо". Эта кинетическая энергия используется затем для содействия движению поршней внутрь
против действия центробежных сил в течение следующих 180 . Конструкция двигателя по своей природе подходит для ровной работы. За счет исключения из конструкции двигателя коленчатого вала и соединительных звеньев устраняется вызываемая при их движении обычная вибрация.

Использование многоканального цилиндрического статора для зарядных, подающих и выхлопных коллекторов позволяет осуществлять работу двигателя в четырехтактном цикле без использования впускного или выпускного клапанов. Уплотнение между ротором и статором поддерживается путем регулирования зазора и выбора эффективной площади расцекованного или развернутого отверстия (т.е. сужения 34с) равной половине площади отверстия цилиндра. Это ведет к созданию равновесного состояния на поверхности раздела ротора и статора, а также к тому, что при всех рабочих условиях давление в цилиндре, которое выше или ниже атмосферного, и сила действия ротора на статор по существу сбалансированы, благодаря чему уменьшается износ поверхности раздела между ротором и статором. Эта особенность является важной для длительного регулирования уплотнений.

Хотя здесь описаны только определенные предпочтительные варианты воплощения настоящего изобретения, понятно, что возможны различные варианты изобретения в пределах объема приложенных пунктов формулы изобретения.

Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит неподвижный цилиндрический корпус 12 и установленный в нем цилиндрический статор 26, между которыми установлен цилиндрический ротор 28. Ротор соединен с валом отбора мощности 32 и содержит по меньшей мере два радиально расположенных цилиндра 34,36,38. Цилиндры смещены друг от друга вдоль оси вращения ротора и образуют компрессионные 34 и рабочие 36,38 цилиндры двигателя. В каждом цилиндре установлен с возможностью вращения и возвратно-поступательного движения сферический поршень 42,44,46. Поршни контактируют с парой кромок А,В направляющей дорожки, выполненной в корпусе. Такая конструкция позволяет увеличить надежность и долговечность двигателя или машины за счет обеспечения равномерного движения поршней. 3 с. и 7 з.п.ф-лы, 11 ил.

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный корпус, установленный в нем цилиндрический статор, размещенный в кольцевом пространстве между корпусом и статором цилиндрический ротор, соединенный с валом отбора мощности и включающий по меньшей мере два ряда радиально расположенных цилиндров, смещенных друг от друга вдоль оси вращения ротора и образующих компрессионные и рабочие цилиндры двигателя, причем в каждом цилиндре, целиком проходящем через кольцевую стенку ротора, установлен с возможностью вращения и возвратно-поступательного движения сферический поршень, отличающийся тем, что в корпусе выполнены неподвижные криволинейные направляющие . дорожки, каждая из которых образована парой круговых кромок, с расстоянием между ними, обеспечивающим возвратно-поступательное движение поршней внутри цилиндров за счет контакта пары кромок с каждым поршнем соответствующего ряда. 2. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный корпус, установленный в нем цилиндрический статор, размещенный в кольцевом пространстве между корпусом и статором цилиндрический ротор, соединенный с валом отбора мощности и включающий по меньшей мере два ряда радиально расположенных цилиндров, смещенных друг от друга вдоль оси вращения ротора и образующих компрессионные и рабочие цилиндры двигателя, причем в каждом цилиндре, целиком проходящем через кольцевую стенку ротора, установлен с возможностью свободного вращения и возвратно-поступательного движения сферический поршень, отличающийся тем, что на внутренней поверхности корпуса выполнены неподвижные криволинейные направляющие дорожки, каждая из которых имеет ось, совпадающую с осью вращения ротора, и образована парой круговых кромок, с расстоянием между ними, обеспечивающим возвратно-поступательное движение поршней внутри цилиндров при повороте двигателя на 360^o за счет контакта пары кромок с каждым поршнем соответствующего ряда. 3. Роторный двигатель по п.2, отличающийся тем, что цилиндр двигателя имеет круглое сужение для сообщения со статором, диаметр поперечного сечения которого меньше диаметра поперечного сечения цилиндра. 4. Роторный двигатель по п.3, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения цилиндра в два раза больше поперечного сечения его сужения. 5. Роторный двигатель по п.4, отличающийся тем, что поршни, движущиеся в цилиндрах, имеют такие размеры, которые позволяют некоторым газам проходить мимо поршней, и имеют средства для рециркуляции таких выходных газов в воздух, впускаемый в компрессионные цилиндры. 6. Роторный двигатель по п. 4, отличающийся тем, что статор включает средства для подачи воздуха к компрессионным цилиндрам, средства для инжектирования топлива в сжатый воздух и передачи топливно-воздушной смеси к рабочим цилиндрам двигателя и средства для удаления продуктов расширения из рабочих цилиндров. 7. Роторный двигатель по п.6, отличающийся тем, что статор включает средства для воспламенения смеси, включающей топливо и сжатый воздух, поданный к рабочим цилиндрам. 8. Роторный двигатель по п.7, отличающийся тем, что он содержит средства для охлаждения сжатого воздуха, впускаемого в рабочие цилиндры. 9. Роторная машина, содержащая неподвижный корпус, установленные в корпусе цилиндрические статор и ротор, соединенный с валом отбора мощности и включающий ряд радиально расположенных рабочих цилиндров, при этом каждый цилиндр выполнен целиком проходящим через кольцевую стенку ротора с возможностью сообщения со статором и содержит сферический поршень, установленный с возможностью свободного вращения и возвратно-поступательного движения, отличающаяся тем, что ротор установлен в кольцевом пространстве между корпусом и статором, в корпусе выполнена пара неподвижных круговых кромок, имеющих ось, совпадающую с осью вращения ротора, с расстоянием между ними, обеспечивающим заданный характер движения поршней в цилиндрах за счет контакта пары кромок с поршнями. 10. Машина по п.9, отличающаяся тем, что каждый цилиндр содержит круглое сужение, диаметр поперечного сечения которого меньше диаметра поперечного сечения цилиндра.