РОТОРНЫЙ СФЕРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F01C3/06 F02B53/04 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания.

Известна роторная объемная машина (патент США № 4631011 от 23.12.1986), которая состоит из подвижного корпуса со сферической внутренней поверхностью, дисковой мембраной посередине и двумя противоположными отверстиями, через которые в середину корпуса проходят два вала, заканчивающиеся роторами в виде сферических сегментов. Снаружи валы подвижно закреплены в станине под углом друг к другу. От валов отходят вилки, которые посредством пальцев подвижно соединены с корпусом таким образом, что вилка и ротор на каждом из валов расположены в одной плоскости, а по отношению к вилке и ротору другого вала они развернуты перпендикулярно. Роторы образуют с корпусом и мембраной четыре камеры переменного объема. При помощи золотников, расположенных в роторах, и каналов в валах, роторах и мембране в этих камерах организуется рабочий процесс, в течение которого попарно противоположные камеры соединяются между собой через мембрану. Объемная машина, выполненная по такой схеме, имеет следующие недостатки. Во-первых, вилки и подвижный корпус машины следует защищать от повреждений дополнительным кожухом. Во-вторых, технологически тяжело изготовить вал воедино с ротором и вилкой, расположить золотники в роторах, а роторы в корпусе. В-третьих, консольно закрепленные валы испытывают значительные нагрузки. Однако самый главный недостаток - наличие избыточных кинематических связей, количество которых достигает 13. Это накладывает чрезвычайно высокие требования к точности изготовления и сборки машины, а также может привести к значительным силам трения и деформации во время ее работы. Если с целью изменения рабочего объема машины выполнить станину с возможностью изменения угла между осями закрепленных в ней валов, вероятность поломки еще более увеличится.

Задачей изобретения является уменьшение длины уплотнений рабочих камер роторного сферического двигателя и устранение вращательного движения его деталей относительно сопрягаемых с ними поверхностей трения путем размещения их во вращающейся гильзе, закрепленной на выходном валу.

Поставленная задача достигается тем, что в роторном сферическом двигателе внутреннего сгорания, содержащем разъемный корпус, два вала, установленные в расточках корпуса, оси которых пересекаются под углом друг к другу в центре сферической полости внутри двигателя, в которой размещены два закрепленных на валах ротора и расположенная между ними подвижная дисковая перегородка, первый ротор закреплен на валу, опирающемся на подшипники в расточке корпуса и являющемся выходным, второй ротор закреплен с возможностью вращения на конце другого вала, выполненного эксцентрическим и закрепленного в расточке корпуса с возможностью поворота, причем ось части вала, несущей ротор и ось части вала, закрепленной в расточке, пересекаются в центре сферической полости таким образом, что роторы и дисковая перегородка составляют внутри корпуса шарнир Гука, образуя со стенками сферической полости камеры переменного объема, сообщающиеся посредством окон и каналов, согласно изобретению, сферическая полость выполнена на внутренней поверхности гильзы, размещенной внутри корпуса с возможностью вращения вместе с выходным валом, на котором она жестко закреплена вместе с первым ротором.

Поставленная задача достигается также тем, что на наружной поверхности гильзы могут быть выполнены лопатки компрессора, вход которого соединен с атмосферой, а выход соединяется каналом в корпусе с впускным окном, а также через регулируемый золотник - с выпускными каналами в гильзе, которые, в свою очередь, выходят к турбине, напротив которой в корпусе размещается реактор.

Поставленная задача достигается также тем, что вращающаяся гильза может нести на себе ротор электрической машины, содержащий две обмотки и магнитную систему с северными и южными полюсами, в корпусе выполнены статорные обмотки и магнитная система, а в гильзе выполнены каналы воздушного охлаждения, которые выходят в выпускные каналы.

На фиг.1 изображен роторный сферический двигатель в начале рабочего хода в одной рабочей камере (соответствует ВМТ) и выпуска в другой (соответствует НМТ).

На фиг.2 показан тот же двигатель во время впуска в одну камеру компрессора и выпуска из другой (соответствует 90° поворота выходного вала относительно положения на фиг.1).

На фиг.3 приведена развернутая фазовая диаграмма работы двигателя.

На фиг.4 изображен вариант двигателя, интегрированного с турбокомпрессором (турбокомпаундный двигатель).

На фиг.5 представлен вариант двигателя, интегрированного с обратимой электрической машиной (гибридный двигатель).

Двигатель, изображенный на фиг.1, содержит разъемный корпус 1, валы 2 и 3, установленные в расточках корпуса, оси которых пересекаются под углом друг к другу в центре сферической полости, которая выполнена на внутренней поверхности гильзы 4, размещенной внутри корпуса с возможностью вращения вместе с выходным валом, на котором она жестко закреплена вместе с ротором 5. Внутри гильзы также размещены подвижная дисковая перегородка (далее диск) 6 и ротор 7, закрепленный с возможностью вращения на конце вала 3, выполненного эксцентрическим и закрепленного в расточке корпуса с возможностью поворота, причем ось части вала 3, несущей ротор 7 и ось части вала, закрепленной в расточке, пересекаются в центре сферической полости. Роторы 5 и 7 вместе с расположенным между ними диском 6 составляют внутри гильзы сферический шарнир Гука посредством полуцилиндрического вала 8, расположенного на одной стороне диска 6 и совмещающегося с пазом в вершине ротора 7, и пальца 9, размещенного в пазах, выполненных на другой стороне диска 6 и в вершине ротора 5, причем продольные оси полуцилиндрического вала 8 и пальца 9 перпендикулярны друг другу. Сам палец 9 состоит из двух полуцилиндров, продольные оси которых О и O₁ параллельны и не совпадают. Диск 6 делит сферическую полость гильзы между роторами на четыре камеры переменного объема. Две камеры между диском 6 и ротором 7 являются компрессорными. Впуск в них осуществляется через впускное окно 10 в корпусе, перекрываемое ротором 7. Две камеры между диском 6 и ротором 5 являются рабочими, в каждый из них имеются камеры сгорания, образованные карманами 11 в роторе 5. В гильзе 4 выполнены два выпускных окна 12 из рабочих камер, сообщающихся через выпускные каналы 13 с рубашкой воздушного охлаждения 14 между наружной оребренной поверхностью гильзы и корпусом. Компрессорные камеры сообщаются с рабочими через продувочные каналы с окнами 15 и 16 в гильзе 4.

Работает двигатель следующим образом. В камере сгорания, образованной карманом 11 рабочего ротора 5, воспламеняется предварительно сжатая рабочая газовая смесь, фиг.1. Будет это самовоспламенением или принудительным искровым воспламенением зависит от конкретной реализации двигателя. Равнодействующая сила давления горящих газов, воспринимаемая диском 6 и перпендикулярная его плоскости, передается через полуцилиндрический вал 8 на ротор компрессора 7 и эксцентрический вал 2. При положении, изображенном на фиг.1 и соответствующем ВМТ такта сжатия, линия действия этой силы параллельна оси вращения ротора компрессора 7 ОС и вызывает только осевую нагрузку на эксцентрический вал 2, не создавая крутящего момента. При отклонении от этого положения линия действия силы уже не параллельна оси вращения ротора 7, относительно которой создается нескомпенсированный крутящий момент, передаваемый диском 6 через палец 9 рабочему ротору 5 и выходному валу 3. Так, в положении, изображенном на фиг.2, линия действия сил давления газов параллельна оси выходного вала ОР и составляет с осью вращения ОС ротора 7 угол γ, создавая момент М=r F Sinγ, где r - плечо силы F. Ротор компрессора 7 и рабочий ротор 5 с выходным валом 3 при этом вращаются, а вращающийся вместе с ними диск 6 совершает к тому же колебательные движения, изменяя объемы камер, заключенных между ним и роторами. Горячие газы в первой рабочей камере при этом расширяются, совершая полезную работу. В другой рабочей камере в это время происходит выпуск отработавших газов через выпускное окно 12 и выпускной канал 13 в выходной канал рубашки охлаждения 14, выполняющей роль глушителя. В это же время через открытые окна 15 и 16 продувочного канала свежий заряд поступает из компрессорной в рабочую камеру, осуществляя продувку. Поворачиваясь, диск 10 закрывает выпускное окно 12 и продувочное окно 16. При повороте выходного вала на 180° все камеры меняются местами. Таким образом, рабочий ход в двигателе совершается за один оборот выходного вала дважды, по разу для каждой пары камер. Впуск в компрессорную камеру осуществляется через впускное окно 10, открывающееся ротором 7 также через каждые пол-оборота (фиг.2). Развернутая фазовая диаграмма работы одной пары камер представлена на фиг.3. Штриховкой обозначено изменение рабочего объема камер в результате поворота эксцентрического вала 2, изменяющего угол между осями вращения роторов, а с ним и угол колебаний диска, определяющий рабочий объем и степень сжатия в камерах. Таким образом можно регулировать степень сжатия двигателя на разных режимах работы, начиная от максимальной во время пуска работы на холостом ходу и малой нагрузке вплоть до минимальной при наибольшей мощности. Благодаря этому обеспечиваются оптимальные параметры рабочего процесса во время эксплуатации, высокие кпд, экономичность и экологичность двигателя.

На фиг.4 изображен вариант двигателя, интегрированного с турбокомпрессором (турбокомпаундный двигатель). На наружной поверхности гильзы 4 выполнены лопатки центробежного компрессора 17, вход которого соединен с атмосферой каналом 18. Выход компрессора через канал 19 и впускное окно 10 соединяется с компрессорными камерами двигателя. Кроме того, выход компрессора через регулируемый золотник 20 и кольцевой канал 21 в корпусе двигателя сообщается с выпускными каналами 13 в гильзе 4. Выпускные каналы 13 в гильзе выходят к лопаткам турбины 22, напротив которых в корпусе размещаются лопатки реактора 23 и выходной канал 24.

В процессе работы сжатый воздух от центробежного компрессора 17 поступает в компрессорные камеры, увеличивая степень наполнения двигателя. Кроме того, часть сжатого воздуха, регулируемая золотником 20 в зависимости от режима работы, подается через кольцевой канал 21 в выпускные каналы 13, где смешивается с выпускными газами, понижает их температуру и увеличивает массу рабочего тела, подаваемого на лопатки турбины 22. Создавая дополнительный крутящий момент на выходном валу 3, связанном с турбиной через гильзу 4, поток рабочего тела тормозится реактором 23 и выходит через канал 24.

На фиг.5 изображен двигатель, интегрированный с обратимой электрической машиной (гибридный двигатель). Вращающаяся гильза двигателя 4 несет на себе ротор электрической машины, содержащий две обмотки 25 и магнитную систему с северными полюсами 26 и южными полюсами 27 между ними. В корпусе выполнены статорные обмотки 28 и магнитная система 29. Каналы воздушного охлаждения 30, выполненные в гильзе-роторе наклонно по отношению к ее оси вращения, выходят в выпускной канал двигателя 13, образуя центробежный вентилятор.

Во время работы двигателя на обмотки ротора 25 подается ток через коллекторный узел на валу 3. Этот ток создает в магнитной системе вращающийся вместе с ротором магнитный поток, который наводит в обмотках статора переменную ЭДС индукции, вызывающую ток нагрузки в режиме генератора. При необходимости увеличить крутящий момент на выходном валу 3 двигателя обмотки статора запитываются от инвертора тока, и электрическая машина переходит в режим электродвигателя. Охлаждается гильза 4 воздухом, проходящим по каналам воздушного охлаждения 30, который затем смешивается с выхлопными газами в выпускном канале 13, снижая их температуру и предохраняя всю машину от перегрева. Разделение ротора электрической машины на две части, магнитные системы которых направлены встречно друг другу, позволяет избежать намагничивания деталей двигателя, уменьшает длину магнитных линий, уменьшает индуктивность машины, увеличивает ее Cosϕ и кпд.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в роторных двигателях внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение надежности двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит разъемный корпус с установленными в нем двумя валами, оси которых пересекаются в центре сферической полости двигателя. Внутри полости размещены два закрепленных на валах ротора и расположенная между ними подвижная дисковая перегородка. Первый ротор является выходным, а второй ротор закреплен с возможностью вращения на конце другого вала, выполненного эксцентрическим и закрепленного в расточке корпуса с возможностью поворота. Причем роторы и дисковая перегородка составляют внутри корпуса шарнир Гука, образуя со стенками сферической полости камеры переменного объема. Согласно изобретению, сферическая полость выполнена на внутренней поверхности гильзы, размещенной внутри корпуса с возможностью вращения вместе с выходным валом, на котором она жестко закреплена вместе с первым ротором. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Роторный сферический двигатель внутреннего сгорания, содержащий разъемный корпус, два вала, установленные в расточках корпуса, оси которых пересекаются под углом друг к другу в центре сферической полости внутри двигателя, в которой размещены два закрепленных на валах ротора и расположенная между ними подвижная дисковая перегородка, первый ротор закреплен на валу, опирающемся на подшипники в расточке корпуса и являющемся выходным, второй ротор закреплен с возможностью вращения на конце другого вала, выполненного эксцентрическим и закрепленного в расточке корпуса с возможностью поворота, причем ось части вала, несущей ротор, и ось части вала, закрепленной в расточке, пересекаются в центре сферической полости таким образом, что роторы и дисковая перегородка составляют внутри корпуса шарнир Гука, образуя со стенками сферической полости камеры переменного объема, сообщающиеся посредством окон и каналов, отличающийся тем, что сферическая полость выполнена на внутренней поверхности гильзы, размещенной внутри корпуса с возможностью вращения вместе с выходным валом, на котором она жестко закреплена вместе с первым ротором.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на наружной поверхности гильзы выполнены лопатки компрессора, вход которого соединен с атмосферой, а выход соединяется каналом в корпусе с впускным окном, а также через регулируемый золотник - с выпускными каналами в гильзе, которые, в свою очередь, выходят к турбине, напротив которой в корпусе размещается реактор.3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что вращающаяся гильза несет на себе ротор электрической машины, содержащий две обмотки и магнитную систему с северными и южными полюсами, в корпусе выполнены статорные обмотки и магнитная система, а в гильзе выполнены каналы воздушного охлаждения, которые выходят в выпускные каналы.