Роторный двигатель внутреннего сгорания Российский патент 2017 года по МПК F02B53/08 F01C11/00 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве привода в различных машинах, стационарных и передвижных энергетических установках в автомобильной, тракторной, электроэнергетической и других отраслях промышленности, связанных с изготовлением и эксплуатацией различных транспортных средств и силовых установок.

Изобретение предлагает устройство роторного двигателя, в котором разделены заключенные в один корпус камера, в которой происходит цикл сжатия и сгорания топлива, и рабочая камера, где происходит расширение сгорающего топлива и преобразование энергии газов в механическую работу, в которую газы из камеры сгорания перетекают через тело ротора.

Известны многочисленные роторные ДВС, в которых засасывание горючей смеси, ее сжатие и сгорание происходит в рабочей камере, что приводит к эксцентрическому вращению ротора вокруг вала (двигатель Ванкеля), что, общепризнано, приводит к многочисленным недостаткам такого рода двигателей, или для обеспечения планетарного вращения ротора приходится выносить камеру сгорания, куда выдавливается, сжимаемая ротором в рабочей камере ротора, топливная смесь и где происходит зажигание смеси, за приделы рабочей камеры двигателя, в которой происходит вращение ротора (патенты RU 2161708, RU 2163678). Что в свою очередь приводит к снижению характеристик смеси, падению компрессии в камере сгорания и, как следствие, к потерям мощности, что является существенными недостатками этих двигателей.

Во всех ныне существующих роторных двигателях процесс преобразования энергии газов горения в механическую работу (цикл расширения), засасывание и сжатие топливной смеси происходят в рабочей камере, следовательно, на полезный цикл расширения приходится лишь часть хода ротора в рабочей камере, что приводит к неполному использовании энергии газов горения и выбросу отработанных газов из двигателя под достаточно большим давлением.

В представляемом здесь изобретении рабочая камера, в которой происходит преобразование энергии газов горения во вращение ротора, разделена с камерой, в которой происходит засасывание, сжатие, зажигание и сгорание топливной смеси. Соответственно, объемы этих камер независимы.

Таким образом, движение ротора в цикле расширения использует весь объем рабочей камеры двигателя, объем которой не зависит от объема камеры, где происходит подготовка и сжигание горючей смеси, что позволяет сделать ее достаточного размера, чтобы получать на выходе отработанные газы на уровне атмосферного давления и, следовательно, полностью использовать энергию газов сгорания топлива.

Кроме того, газы горения топлива в двигателе предлагаемой здесь схемы перетекают из камеры, в которой происходит подготовка и сгорание топливной смеси, в рабочую камеру через тело ротора и выходят под давлением из сопла расположенного в крыле ротора, следовательно, вместе с давлением газов горения на крыло ротора действует реактивная сила истекающих из нее под давлением газов горения, что будет увеличивать мощность двигателя.

Очевидно, что такая схема двигателя позволяет получать большие КПД и мощность, чем у ныне существующих систем, при меньшем расходе топлива.

На Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 представлены общий вид двигателя сбоку, спереди, сзади.

На Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6, Фиг. 7 представлены общие виды ротора, с «хвостом» ротора, не выходящим за цилиндр ротора, сбоку, спереди, сверху, сзади.

На Фиг. 8, Фиг. 9, Фиг. 10, Фиг. 11 представлены общие виды ротора, с «хвостом» ротора, выходящим за цилиндр ротора, сбоку, спереди, сверху, сзади.

На Фиг. 12 представлена схема и соотношение основных элементов роторного двигателя: корпус двигателя; ротор и составляющие его части: крыло ротора, цилиндр ротора, хвост ротора, газопроводный канал внутри цилиндра и крыла ротора; заслонка, ролики и пружина заслонки рабочей камеры двигателя; заслонки и пружины заслонок топливной камеры двигателя; внутренний полуцилиндр корпуса двигателя.

На Фиг. 13 представлена схема и соотношение основных элементов рабочей камеры роторного двигателя: корпус рабочей камеры, пружина задвижки рабочей камеры, задвижка рабочей камеры, ролик задвижки рабочей камеры, крыло ротора, цилиндр ротора, газопроводные каналы цилиндра и крыла ротора, выхлопное отверстие в корпусе двигателя.

На Фиг. 14 представлена схема и соотношение основных элементов топливной камеры роторного двигателя: корпус топливной камеры, пружины верхней и нижней задвижки топливной камеры, верхняя и нижняя задвижка топливной камеры, свеча зажигания, внутренний полуцилиндр корпуса двигателя, отверстие газопроводного канала цилиндра ротора, «хвост» ротора, стопорный вырез «хвоста» ротора.

На Фиг. 15 - Фиг. 21 представлены схемы, показывающие фазы работы механизма топливной камеры: засасывание, сжатие, сжигание топливной смеси.

На Фиг. 22 - Фиг. 26 представлены схемы, показывающие фазы движения ротора в рабочей камере.

Представляемый роторный двигатель внутреннего сгорания состоит из:

1 - Корпус двигателя,

который в свою очередь состоит из следующих элементов:

2 - Корпус рабочей камеры двигателя.

3 - Корпус топливной камеры двигателя.

4 - Короб пружины заслонки рабочей камеры двигателя.

5 - Короб заслонки рабочей камеры двигателя.

6 - Окна выхлопа отработанных газов горения топлива из рабочей камеры двигателя.

7 - Короб пружины верхней заслонки топливной камеры двигателя.

8 - Короб пружины нижней заслонки топливной камеры двигателя.

9 - Внутренний полуцилиндр топливной камеры корпуса двигателя

10 - Канал подвода топлива в топливную камеру двигателя.

11 - Свеча зажигания.

12 - Электропровод свечи зажигания.

Внутри корпуса двигателя находится основной элемент двигателя:

13 – Ротор,

который в свою очередь состоит из:

14 - Цилиндр ротора.

15 - Крыло ротора.

16 - Хвост ротора.

17 - Сопло выброса газов горения топлива в крыле ротора в рабочую камеру двигателя.

18 - Входное отверстие в газопроводный канал цилиндра ротора.

В процессе вращения ротора создаются: камеры, где происходит расширение горючих газов, откуда удаляются отработанные газы, где топливо засасывается, сжимается и зажигается, через движение следующих элементов двигателя:

19 - Верхняя заслонка топливной камеры двигателя.

20 - Нижняя заслонка топливной камеры двигателя.

21 - Пружина верхней заслонки топливной камеры двигателя.

22 - Пружина нижней заслонки топливной камеры двигателя.

23 - Стопорный вырез в хвосте ротора.

24 - Пружина заслонки рабочей камеры двигателя.

25 - Заслонка рабочей камеры двигателя.

26 - Ролик заслонки рабочей камеры двигателя.

Газы горения из топливной камеры двигателя перетекают в рабочую камеру двигателя через:

27 - Газопроводный канал в теле ротора.

Работа представляемого роторного двигателя внутреннего сгорания происходит следующим образом.

Фазы цикла работы роторного двигателя в топливной камере показаны на Фиг. 15 - Фиг. 21.

Фазы цикла работы роторного двигателя в его рабочей камере показаны на Фиг. 22 - Фиг. 26.

На Фиг. 21 и соответствующей ей Фиг. 22 показано положение элементов двигателя в начальном состоянии рабочего цикла в топливной камере (Фиг. 21) и рабочей камере (Фиг. 22).

Фиг. 21. Топливная смесь сжата в камере ТК, ограниченной: 19 - опущенной вниз верхней заслонкой топливной камеры двигателя, 3 - корпусом топливной камеры двигателя, 16 - хвостом ротора, 9 - внутренним полуцилиндром корпуса топливной камеры двигателя. Нижняя заслонка топливной камеры двигателя 20 поднята пружиной 22 вверх и вошла в стопорный вырез в хвосте ротора 23.

Фиг. 22. В рабочей камере двигателя заслонка рабочей камеры двигателя 25 опущена вниз, ротор 13 повернут так, что его крыло 15 поднято вверх и прижато своей плоской частью к заслонке рабочей камере двигателя 25. Внутри рабочей камеры одно отделение А.

Фиг. 15. Топливная смесь зажжена. Давление газов отжимает вверх верхнюю заслонку топливной камеры двигателя 19, нижняя заслонка топливной камеры двигателя 20, поднятая пружиной 22 вверх, входит в стопорный вырез в хвосте ротора 23 и не дает хвосту ротора 16 откатиться под давлением газов сгорания назад. Газы горения топлива через отверстие 18 попадают в газопроводный канал в теле ротора 27 и, выходя через сопло выброса газов горения топлива в крыле ротора в рабочую камеру двигателя 17, вращают ротор 13.

Фиг. 23 - Фиг. 25. Вращаясь, ротор 13 создает в рабочей камере двигателя расширяющуюся камеру Б, ограниченную опущенной заслонкой рабочей камеры двигателя 25, корпусом рабочей камеры двигателя 2, крылом ротора 15, цилиндром ротора 14. Камера А, соответственно, сокращается, из нее через окна выхлопа отработанных газов горения топлива из рабочей камеры двигателя 6 крыло ротора 15, двигаясь, выталкивает остаточные выхлопные газы.

По мере вращения ротора в топливной камере происходят следующие этапы работы двигателя.

Фиг. 16. Вращение ротора приводит к тому, что хвост ротора 16 поворачивается, полностью отжимает вверх и удерживает в этом положении верхнюю заслонку топливной камеры двигателя 19, перестает удерживать нижнюю заслонку топливной камеры двигателя 20, и она под действием пружины 22 поднимается вверх. Газы сгорания продолжают через отверстие 18 и далее канал 27 из топливной камеры двигателя перетекать в рабочую камеру двигателя.

Фиг. 17 - Фиг. 19. Цикл засасывания топлива в топливной камере двигателя.

Фиг. 17. Дальнейшее вращение ротора приводит к тому, что хвост ротора 16 отходит от опущенной вниз нижней заслонки камеры двигателя 20, так что начинает образовываться камера ТК, ограниченная понятной вверх нижней заслонкой 20, внутренним полуцилиндром топливной камеры корпуса двигателя 9, корпусом топливной камеры двигателя 3, хвостом ротора 16, и открывается канал подвода топлива в топливную камеру двигателя 10. Топливная смесь начинает засасываться в расширяющуюся камеру ТК.

Фиг. 18. Вращаясь, ротор сдвигает хвост ротора 16 дальше от поднятой вверх нижней заслонки 20, камера ТК расширяется, в нее засасывается топливная смесь.

Фиг. 19. Крайняя точка расширения камеры ТК. Хвост ротора 16, поворачиваясь, перестает удерживать верхнюю заслонку топливной камеры двигателя 19, и она, под действием пружины 21, опускается вниз, одновременно он наезжает и отжимает нижнюю заслонку топливной камеры двигателя 20, утапливая ее вниз. Камера ТК достигает максимального размера и ограничена: хвостом ротора 16, внутренним полуцилиндром топливной камеры корпуса двигателя 9, корпусом топливной камеры двигателя 3 и опущенной вниз верхней заслонкой топливной камеры двигателя 19.

Фиг. 20. Дальнейшее вращение ротора приводит к тому, что, вращаясь, хвост ротора 16 перекрывает канал подвода топлива в топливную камеру двигателя 10 и, приближаясь к опущенной вниз верхней заслонке топливной камеры двигателя 19, сжимает топливную смесь в сокращающейся камере ТК.

Фиг. 21. Топливная смесь полностью сжата. Цикл закончен.

Таким образом, за полный круг вращения ротора, в рабочей камере роторного двигателя происходит:

- цикл расширения газов горения,

- цикл удаления выхлопных газов.

В топливной камере роторного двигателя происходит:

- цикл засасывания топлива,

- цикл сжатия топлива,

- зажигание и сгорание топлива.

Ротор получает энергию вращения:

-от давления расширения газов сгорания топлива на крыло ротора,

- от реактивной отдачи исходящих под давлением из крыла ротора газов сгорания топлива.

Раздельное положение рабочей и топливной камеры роторного двигателя позволяет делать их размеры такими, что в процессе расширения газов сгорания после совершения ими полезной работы на выходе из рабочей камеры двигателя можно получать остаточное их давление, близким к атмосферному, то есть полностью использовать энергию расширения газов сгорания топлива.

Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания с разделенным циклом. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что рабочая камера двигателя, где происходит преобразование энергии газов горения во вращение ротора, и камера, где происходит подготовка и сгорание топливной смеси, разделены и имеют независимые объемы. Таким образом, в цикле расширения, в котором энергия продуктов сгорания преобразуется во вращение ротора, используется весь объем рабочей камеры, которая не зависит от размеров камеры, где происходит подготовка и сжигание горючей смеси, что позволяет создать рабочую камеру такого размера, что на выходе отработанные газы будут на уровне атмосферного давления и, следовательно, в данном двигателе будет возможно максимально использовать энергию давления газов сгорания топлива при преобразовании ее в механическую работу. Продукты сгорания перетекают из топливной камеры в рабочую камеру через тело ротора и выходят под давлением из сопла, расположенного в крыле ротора. 26 ил.

Роторный двигатель внутреннего сгорания отличается тем, что рабочая камера двигателя, где происходит преобразование энергии расширения газов сгорания топлива в механическую энергию вращения ротора, и камера, в которой происходит засасывание топлива и в которой происходит сжатие топливной смеси и ее сгорание, разделены ограничивающими их корпусами на независимые объемы и соединены между собой телом проходящего через них ротора, через который газы сгорания топлива перетекают из камеры, в которую ротор своим вращением осуществляет засасывание топлива, в которой ротор своим вращением осуществляет сжатие топливной смеси и в которой топливо сгорает, в рабочую камеру двигателя, где, расширяясь, газы горения топлива вращают ротор.