Трёхкамерный роторный двигатель внутреннего сгорания Российский патент 2018 года по МПК F02B53/08 

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;

- - камера, в которой происходит зажигание топлива;

- - 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 использованию 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, камера, в которой происходит засасывания воздуха и сжатие топливной смеси, и камера, в которой происходит зажигание и сгорание топливной смеси, разделены.

Соответственно, объемы этих камер независимы.

Таким образом, движение ротора в цикле расширения использует весь объем рабочей камеры двигателя, объем которой не зависит от объема камер, где происходит подготовка и зажигание 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.

Так как объем камеры, где происходит сжатие топливной смеси (камеры сжатия), не зависит от объемов рабочей камеры и камеры зажигания, то ее можно сделать достаточно большой, чтобы засасывать соответствующий ее размерам объем воздуха, и, как следствие, увеличивать мощность двигателя. По сути, данная схема двигателя позволяет увеличением объема камеры расширения достигать эффекта, который в двигателях традиционной схемы дает турбонадув.

Кроме того, газы горения топлива в двигателе предлагаемой здесь схемы перетекают из камеры, в которой происходит зажигание и сгорания 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 представлена общая схема двигателя и соотношение его основных элементов в продольном разрезе.

На Фиг. 2 представлена общая схема ротора двигателя и соотношение его основных элементов в продольном разрезе.

На Фиг. 3 представлена общая схема корпуса двигателя и соотношение его основных элементов в продольном разрезе.

На Фиг. 4 представлена общая схема цилиндра сжатия и соотношение его основных элементов в начале рабочего цикла в поперечном сечении.

На Фиг. 5 представлена общая схема и соотношение основных элементов диска управления задвижкой цилиндра сжатия в начале рабочего цикла в поперечном сечении.

На Фиг. 6 представлена общая схема и соотношение основных элементов цилиндра расширения в начале рабочего цикла в поперечном сечении.

На Фиг. 7 представлена общая схема и соотношение основных элементов диска управления задвижкой цилиндра расширения и задвижками цилиндра зажигания в начале рабочего цикла в поперечном сечении.

На Фиг. 8 представлена общая схема и соотношение основных элементов цилиндра зажигания в начале рабочего цикла в поперечном сечении в масштабе, соответствующем масштабу остальных фигур.

На Фиг. 9 представлена общая схема и соотношение основных элементов цилиндра зажигания в начале рабочего цикла в поперечном сечении в масштабе 2:1.

На Фиг. 10 представлена общая схема цилиндра сжатия и соотношение его основных элементов при повороте ротора на 90° в поперечном сечении.

На Фиг. 11 представлена общая схема и соотношение основных элементов диска управления задвижкой цилиндра сжатия при повороте ротора на 90° в поперечном сечении.

На Фиг. 12 представлена общая схема и соотношение основных элементов цилиндра расширения при повороте ротора на 90° в поперечном сечении.

На Фиг. 13 представлена общая схема и соотношение основных элементов диска управления задвижкой цилиндра расширения и задвижками цилиндра зажигания при повороте ротора на 90° в поперечном сечении.

На Фиг. 14 представлена общая схема и соотношение основных элементов цилиндра зажигания при повороте ротора на 90° в поперечном сечении в масштабе, соответствующем масштабу остальных фигур.

На Фиг. 15 представлена общая схема и соотношение основных элементов цилиндра зажигания при повороте ротора на 90° в поперечном сечении в масштабе 2:1.

На Фиг. 16 представлена общая схема цилиндра сжатия и соотношение его основных элементов при повороте ротора на 180° в поперечном сечении.

На Фиг. 17 представлена общая схема и соотношение основных элементов диска управления задвижкой цилиндра сжатия при повороте ротора на 180° в поперечном сечении.

На Фиг. 18 представлена общая схема и соотношение основных элементов цилиндра расширения при повороте ротора на 180° в поперечном сечении.

На Фиг. 19 представлена общая схема и соотношение основных элементов диска управления задвижкой цилиндра расширения и задвижками цилиндра зажигания при повороте ротора на 180° в поперечном сечении.

На Фиг. 20 представлена общая схема и соотношение основных элементов цилиндра зажигания при повороте ротора на 180° в поперечном сечении в масштабе, соответствующем масштабу остальных фигур.

На Фиг. 21 представлена общая схема и соотношение основных элементов цилиндра зажигания при повороте ротора на 180° в поперечном сечении в масштабе 2:1.

На Фиг. 22 представлена общая схема цилиндра сжатия и соотношение его основных элементов при повороте ротора на 270° в поперечном сечении.

На Фиг. 23 представлена общая схема и соотношение основных элементов диска управления задвижкой цилиндра сжатия при повороте ротора на 270° в поперечном сечении.

На Фиг. 24 представлена общая схема и соотношение основных элементов цилиндра расширения при повороте ротора на 270° в поперечном сечении.

На Фиг. 25 представлена общая схема и соотношение основных элементов диска управления задвижкой цилиндра расширения и задвижками цилиндра зажигания при повороте ротора на 270° в поперечном сечении.

На Фиг. 26 представлена общая схема и соотношение основных элементов цилиндра зажигания при повороте ротора на 270° в поперечном сечении в масштабе, соответствующем масштабу остальных фигур.

На Фиг. 27 представлена общая схема и соотношение основных элементов цилиндра зажигания при повороте ротора на 270° в поперечном сечении в масштабе 2:1.

Представляемый роторный двигатель внутреннего сгорания содержит:

1 - Корпус двигателя.

Который в свою очередь содержит следующие элементы:

2 - Корпус камеры сжатия.

3 - Корпус камеры расширения.

4 - Корпус камеры сгорания.

5 - Сквозных отверстий одинакового диаметра, образующих канал для цилиндра ротора, проходящий через корпус камеры сжатия, корпус камеры расширения и входящей в корпус камеры сгорания.

6 - Внутренний цилиндр камеры сгорания с вырезом для прохода газов горения топлива из камеры сгорания через цилиндр ротора и крыло ротора камеры расширения в камеру расширения двигателя.

7 - Канал между камерой сжатия и камерой сгорания.

8 - Свеча зажигания.

9 - Вырез в корпусе камеры сжатия для задвижки камеры сжатия.

10- Вырез в корпусе камеры расширения для задвижки камеры расширения.

11 - Выходное отверстие в камере сжатия в канал между камерой сжатия и камерой сгорания.

12 - Входное отверстие в камеру сгорания из канала между камерой сжатия и камерой сгорания.

13 - Вырез в корпусе камеры сгорания для верхней задвижки камеры сгорания.

14 - Вырез в корпусе камеры сгорания для нижней задвижки камеры сгорания.

Внутри корпуса двигателя находится основной элемент двигателя:

15 - Ротор.

Который в свою очередь содержит:

16 - Цилиндр ротора.

17 - Крыло ротора камеры сжатия.

18 - Диск управления задвижкой камеры сжатия.

19 - Направляющий вырез диска управления задвижкой камеры сжатия.

20 - Крыло ротора камеры расширения.

21 - Сопло выброса газов горения топлива в крыле ротора камеры расширения в камеру расширения двигателя.

22 - Газопроводный канал, проходящий через цилиндр ротора и крыло камеры расширения из камеры сгорания в камеру расширения.

23 - Диск управления задвижкой камеры расширения и задвижками камеры сгорания.

24 - Крыло ротора камеры сгорания.

25 - Направляющий вырез диска 23, управляющий задвижкой камеры расширения.

26 - Направляющий вырез диска 23, управляющий верхней задвижкой камеры сгорания.

27 - Направляющий вырез диска 23, управляющий нижней задвижкой камеры сгорания.

Вращаясь, ротор поднимает и опускает следующие задвижки:

28 - Задвижку камеры сжатия.

29 - Задвижку камеры расширения.

30 - Верхнюю задвижку камеры сгорания.

31 - Нижнюю задвижку камеры сгорания.

В опущенном состоянии задвижка камеры сжатия 28 соприкасается с вращающимся цилиндром ротора 16 через:

32 - ролик задвижки камеры сжатия.

Задвижку камеры сжатия 28 диск управления задвижкой камеры сжатия 18 двигает через воздействия на:

33 - тягу задвижки камеры расширения, которая вставлена в направляющий вырез диска управления задвижкой камеры сжатия 19.

В опущенном состоянии задвижка камеры расширения 29 соприкасается с вращающимся цилиндром ротора 16 через:

34 - ролик задвижки камеры расширения.

Задвижку камеры расширения 29 диск управления задвижкой камеры расширения 23 двигает через воздействия на:

35 - тягу задвижки камеры расширения, которая вставлена в направляющий вырез диска управления задвижкой камеры расширения 25.

Задвижки камеры сгорания 30 и 31 диск управления задвижками камеры сгорания 23 двигает через воздействия на:

36 - тягу верхней задвижки камеры сгорания 30, которая вставлена в направляющий вырез 26 диска управления задвижкой камеры расширения 23.

37 - тягу нижней задвижки камеры сгорания 31, которая вставлена в направляющий вырез 27 диска управления задвижкой камеры расширения 23.

38 - Подвижная скоба, обеспечивающая вращение ротора в одном направлении.

39 - Выхлопное окно отработанных газов горения.

В процессе своего вращения ротор поднимает и опускает задвижки 28, 29, 30 и 31 внутрь корпусов камер 2,3 и 4 через вырезы в корпусах камер 9,10,13 и 14 и создает камеры:

- Камеру сжатия, образуемую опущенной вниз задвижкой камеры сжатия 28, цилиндром ротора 16, крылом ротора камеры сжатия 17 и корпусом камеры сжатия 2, в которой ротор, поворачиваясь, своим крылом камеры сжатия 17, сжимает воздух, для дизельного варианта двигателя, или топливную смесь, для бензинового варианта двигателя, и выдавливает ее через выходное отверстие в камере сжатия 11 в канал между камерой сжатия и камерой сгорания 7, через который воздух или топливная смесь поступает в камеру сгорания через входное отверстие 12.

- Камеру расширения, образуемую опущенной вниз задвижкой камеры расширения 29, цилиндром ротора 16, крылом ротора камеры сжатия 20 и корпусом камеры сжатия 3, где происходит расширение горючих газов, наполняющих камеру расширения через сопло 21 в крыле ротора 20, совершающих полезную работу по вращению ротора.

- Камеру сгорания, образуемую:

- На стадии приема топливной смеси через входное отверстие 12 - поднятой вверх задвижкой 31, корпусом камеры сгорания 4, внутренним цилиндром камеры сгорания 6, цилиндром ротора 16 и крылом ротора камеры сгорания 24.

- На стадии дожатия топливной смеси и ее зажигания - опущенной вниз задвижкой 30, корпусом камеры сгорания 4, внутренним цилиндром камеры сгорания 6, цилиндром ротора 16 и крылом ротора камеры сгорания 24.

Работа предоставляемого роторного двигателя внутреннего сгорания происходит следующим образом.

Фазы цикла работы роторного двигателя в топливной камере показаны на фиг. 6 в поперечных сечениях.

На фиг. 4-9 показано положение элементов двигателя в начальном состоянии рабочего цикла.

Фиг. 4 показывает камеру сжатия и положение основных ее частей и элементов в начальном состоянии рабочего цикла.

Фиг. 5 показывает диск управления задвижкой камеры сжатия в начальной стадии рабочего цикла и положение основных его частей и элементов.

Фиг. 6 показывает камеру расширения и положение основных ее частей и элементов в начальном состоянии рабочего цикла.

Фиг. 7 показывает диск управления задвижкой камеры расширения и задвижками камеры сгорания в начальной стадии рабочего цикла и положение основных его частей и элементов.

Фиг. 8 показывает камеру сгорания и положение основных ее частей и элементов в начальном состоянии рабочего цикла в масштабе, равном масштабу других фигур.

Фиг. 9 показывает камеру сгорания и положение основных ее частей и элементов в начальном состоянии рабочего цикла в масштабе 2:1 к масштабу других фигур.

Топливная смесь сжата в камере, ограниченной: 30 - опущенной вниз верхней задвижкой топливной камеры двигателя, 4 - корпусом топливной камеры двигателя, 16 - торцевой частью цилиндра ротора, 6 - внутренним цилиндром корпуса топливной камеры двигателя, 24 - крылом ротора камеры сгорания. Нижняя задвижка топливной камеры двигателя 31 опущена вниз.

Смесь готова к зажиганию.

Подвижная скоба 38 вошла в соответствующий вырез в крыле ротора камеры сгорания 24, обеспечивая вращение ротора в одном направлении, против часовой стрелки.

При зажигании топливной смеси вращение ротора приведет к поднятию задвижки 30 и газы горения через вырез во внутреннем цилиндре корпуса топливной камеры двигателя и 6 попадут в газопроводный канал 22, проходящий через цилиндр ротора и крыло камеры расширения из камеры сгорания в камеру расширения. Через сопло 21 в крыле ротора камеры расширения 20 газы горения топливной смеси попадают в камеру расширения, давят на крыло ротора камеры расширения 20 и вращают ротор двигателя.

На фиг. 10-15 показано положение элементов двигателя при повороте ротора на 90° от начального состояния рабочего цикла.

На фиг. 10, вращаясь, ротор движением крыла ротора камеры сжатия 17 сокращает размер камеры сжатия, выдавливая воздух, в дизельном варианте двигателя, или топливную смесь, в бензиновым варианте двигателя, из камеры сжатия через канал 7 в расширяющуюся камеру сгорания в стадии приема топливной смеси (или воздуха) через входное отверстие 12, фиг. 14, фиг. 15.

На фиг. 11 диск управления задвижкой камеры сжатия 18 удерживает задвижку камеры сжатия 28 в опущенной положении.

На фиг. 12 камера расширения увеличивается в размере, через сопло 21 в крыле ротора камеры расширения 20 газы горения топливной смеси попадают в камеру расширения, давят на крыло ротора камеры расширения 20 и вращают ротор двигателя.

На фиг. 13 диск управления задвижкой камеры расширения и задвижками камеры сгорания 23 удерживает задвижку камеры расширения 29 в опущенном состоянии, а задвижки камеры сгорания 30 и 31 в поднятом состоянии.

На фиг. 14 (в масштабе, равном масштабу других фигур) и фиг. 15 (в масштабе 2:1 к масштабу других фигур), вращаясь, ротор движением крыла ротора камеры сгорания 24 образует расширяющуюся камеру приема топливной смеси, поступающей в камеру через отверстие 12 из канала между камерой сжатия и камерой сгорания 7, образуемую поднятой вверх задвижкой 31, корпусом камеры сгорания 4, внутренним цилиндром камеры сгорания 6, цилиндром ротора 16 и крылом ротора камеры сгорания 24. Топливная смесь или воздух (в зависимости от варианта ДВС) поступают из камеры сжатия в расширяющуюся на данном этапе работы двигателя (на стадии приема топливной смеси) камеру сгорания. Одновременно крыло ротора камеры сгорания 24, вращаясь, другим своим концом выдавливает газы горения в канал 22.

На фиг. 16-21 показано положение элементов двигателя при повороте ротора на 180° от начального состояния рабочего цикла.

На фиг. 16, вращаясь, ротор крылом ротора камеры сжатия 17 занимает весь объем камеры сжатия, полностью выдавив из нее воздух, в дизельном варианте двигателя, или топливную смесь, в бензиновым варианте двигателя, через канал 7 в камеру сгорания, в стадии приема топливной смеси (или воздуха), достигший максимального объема, через входное отверстие 12, фиг. 20, фиг. 21.

На фиг. 17 диск управления задвижкой камеры сжатия 18 поднимает задвижку камеры сжатия 28 и удерживает ее в поднятом положении. Задвижка 18 не мешает дальнейшему движению крыла ротора камеры сжатия 17 при дальнейшем вращении ротора.

На фиг. 18 камера расширения увеличивается в размере, через сопло 21 в крыле ротора камеры расширения 20 газы горения топливной смеси попадают в камеру расширения, давят на крыло ротора камеры расширения 20 и вращают ротор двигателя.

На фиг. 19 диск управления задвижкой камеры расширения и задвижками камеры сгорания 23 удерживает задвижку камеры расширения 29 в опущенном состоянии, задвижку камеры сгорания 30 удерживает в поднятом состоянии последние мгновения, а задвижку 31 упускает вниз, и она не препятствует дальнейшему движению крыла ротора камеры сгорания 24 при вращении ротора.

На фиг. 20 (в масштабе, равном масштабу других фигур) и фиг. 21 (в масштабе 2:1 к масштабу других фигур) камера сгорания находится в переходном состоянии от стадии приема топливной смеси к стадии дожатия топливной смеси и ее зажигания.

На фиг. 22-27 показано положение элементов двигателя при повороте ротора на 270° от начального состояния рабочего цикла.

На фиг. 22, вращаясь, ротор крылом ротора камеры сжатия 17 выходит из камеры сжатия, засасывая в освободившуюся от него часть новую порцию воздуха.

На фиг. 23 диск управления задвижкой камеры сжатия 18 удерживает задвижку камеры сжатия 28 в поднятом положении. Задвижка 18 не мешает дальнейшему движению крыла ротора камеры сжатия 17 при вращения ротора.

На фиг. 24 камера расширения находится в последней стадии цикла расширения, через сопло 21 в крыле ротора камеры расширения 20 газы горения топливной смеси попадают в камеру расширения, давят на крыло ротора камеры расширения 20 и вращают ротор двигателя, но давление в камере расширения падает, и при дальнейшем повороте ротора крыло ротора камеры расширения 20 достигнет окна выхлопа 39 и цикл расширения закончится. После того как крыло ротора камеры расширения 20 пройдет окно выхлопа 39, диск управления задвижкой камеры расширения 23 поднимет задвижку 23 и опустит ее, как только крыло ротора 27 пройдет под ней.

На фиг. 25 диск управления задвижкой камеры расширения и задвижками камеры сгорания 23 удерживает задвижку камеры расширения 29, задвижку камеры сгорания 30 и задвижку 31 в опущенном состоянии.

На фиг. 26 (в масштабе, равном масштабу других фигур) и фиг. 27 (в масштабе 2:1 к масштабу других фигур) камера сгорания сокращается и находится в стадии дожатия топливной смеси.

При дальнейшем вращении ротора двигатель достигнет начального состояния рабочего цикла, как показано на фиг. 4-9.

Таким образом за полный круг вращения ротора:

В камере сжатия происходит:

- цикл сжатия топливной смеси или воздуха

- цикл засасывания в камеру воздуха.

В рабочей камере роторного двигателя происходит:

- цикл расширения газов горения

- цикл удаления выхлопных газов.

В топливной камере роторного двигателя происходит:

- цикл засасывания топливной смеси или воздуха

- цикл досжатия топливной смеси или топлива

- зажигание и сгорание топливной смеси.

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 камеры сжатия, расширения и сгорания 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, близкое к атмосферному, то есть полностью использовать энергию расширения газов сгорания топлива.

Изобретение относится к области роторных двигателей внутреннего сгорания с разделенным циклом. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель состоит из: камеры сжатия, камеры расширения и камеры сгорания, ротора, задвижек камеры сжатия, расширения и сгорания, канала между камерой сжатия и камерой сгорания, по которому топливная смесь перетекает из камеры сжатия в камеру сгорания. Камеры сжатия, расширения и сгорания имеют независимые объемы, ротор двигателя проходит через камеру сжатия, камеру расширения и входит в камеру сгорания, а газы сгорания перетекают из камеры сгорания в камеру расширения через тело ротора, где совершают полезную работу. 3 з.п. ф-лы, 27 ил.

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из: камеры сжатия, камеры расширения и камеры сгорания, ротора, задвижек камеры сжатия, расширения и сгорания, канала между камерой сжатия и камерой сгорания, по которому топливная смесь перетекает из камеры сжатия в камеру сгорания, отличающийся тем, что камеры сжатия, расширения и сгорания имеют независимые объемы, ротор двигателя проходит через камеру сжатия, камеру расширения и входит в камеру сгорания, газы сгорания перетекают из камеры сгорания в камеру расширения, где совершают полезную работу, через тело ротора.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что ротор двигателя состоит из: цилиндра ротора, который проходит через камеру сжатия, камеру расширения и входит в камеру сгорания, крыла ротора камеры сжатия, входящего в камеру сжатия и вращающегося в ней, крыла ротора камеры расширения, входящего в камеру расширения и вращающегося в ней, крыла ротора камеры сгорания, входящего в камеру сгорания и вращающегося в ней, дисков управления задвижками камер сжатия, расширения и сгорания.

3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что внутри цилиндра ротора и крыла ротора камеры расширения проходит канал, по которому газы горения перетекают из камеры сгорания в камеру расширения, где выходят из сопла крыла ротора камеры расширения в камеру расширения, в которой совершают полезную работу, вращая ротор.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что рабочие зоны в камерах сжатия, расширения и сгорания образуют вращающиеся в них крылья ротора и входящие/выходящие в них задвижки, положением которых управляют вращающиеся вместе с ротором управляющие задвижками диски ротора за пределами этих камер.