Трёхзонный многолопастный роторный двигатель внутреннего сгорания с концентрическим расположением рабочих зон в роторе двигателя Российский патент 2019 года по МПК F02B53/08 F01C1/34 

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, внутренние пространство которого разделено на следующие независимые области (зоны):

- область расширения, где происходит расширения сгорающего топлива и преобразование энергии газов в механическую работу, в которую газы из камеры сгорания перетекают через тело ротора,

- область сжатия, в который происходит засасывание топливной смеси и в котором происходит сжатие топливной смеси,

- область в которой находится камера зажигания, где происходит зажигание топливной смеси.

Все три зоны находятся в роторе двигателя и ограничены концентрически расположенными цилиндрами ротора. Ротор имеет три цилиндра:

- внешний цилиндр

- внутренний цилиндр

- цилиндр камеры зажигания.

Ротор имеет общие для цилиндров дно и открыт сверху.

Цилиндры ротора расположены концентрически и образуют:

- зону зажигания в центре ротора

- кольцо зоны сжатия вокруг зоны зажигания

- кольцо зоны расширения вокруг зоны сжатия.

Кольца сжатия и расширения делятся на секторы лопастями ротора. Лопасти ротора радиально расположены между его цилиндрами, соприкасаются с его дном и по высоте меньше высоты стенок цилиндров ротора. При вращение, ротор приводит в движения вертикальные задвижки, которые, входя в зоны сжатия и расширения, образуют рабочие камеры двигателя, в которых происходят рабочие процессы, в области сжатия, сжатие топливной смеси и, в зоне расширения, расширение газов горения, ограниченные:

- дном ротора

- боковыми поверхностями цилиндров ротора

- задвижками

- лопастями ротора

- дном статора.

Ротор надевается на статор, в котором сделаны вырезы для:

- внутреннего цилиндра ротора

- цилиндра камеры зажигания

- задвижек зон сжатия и расширения

- входа топливной смеси в зону сжатия

- выхода отработанных газов из зоны расширения.

В центре статора находится цилиндр (стакан) камеры зажигания который входит в цилиндр камеры зажигания ротора и соприкасается своим дном с дном ротора. Дно статора соприкасается с лопастями ротора.

Газы горения из камеры зажигания двигателя перетекают из камеры зажигания статора через вырезы в дне статора в камеры расширения двигателя через вырезы в дне ротора и затем через каналы внутри лопастей ротора.

Ротор соединен со статором через подшипник на внешней стороне своего внешнего цилиндра.

Известен «Трех зонный многолопастный роторный двигатель внутреннего сгорания» патент RU 2645784. Данный двигатель взят за прототип.

Двигатель патента RU 2645784 состоит из раздельных цилиндрических камер сжатия, расширения и камеры зажигания внутри вала ротора, проходящего через камеры сжатия и расширения.

Задачей предоставляемого изобретения является упрощение конструкции двигателя и максимальная интеграция его рабочих узлов.

Представляемый двигатель состоит из следующих основных функциональных элементов:

- ротора

- статора

- подшипника между ротором и статором

- задвижек, подвешенных внутри ротора

- заглушки камеры зажигания.

Камеры, в которых происходит преобразование энергии газов горения во вращение ротора, и область, в которых создаются камеры, в которых происходит засасывания воздуха и сжатие топливной смеси, и область в которой происходит зажигание топливной смеси разделены стенками концентрических колец ротора на независимые области с разными объемами.

Таким образом, в цикле расширения используется объем, который не зависит от объемов, где происходит подготовка и зажигание горючей смеси, что позволяет сделать его достаточного размера, чтобы получать на выходе отработанные газы на уровне атмосферного, максимально полно использовав энергию газов сгорания топлива.

Кроме того, газы горения топлива в двигателе, предлагаемой здесь схемы, перетекают из камеры в которой происходит зажигание топливной смеси в рабочие камеры через тело ротора и выходят под давлением из сопел, расположенных в крыльях ротора, следовательно, в начальной стадии процесса, будет действовать реактивный импульс от истекающих из них газов горения, что будет увеличивать мощность двигателя.

На один оборот ротора представляемый здесь многолопастный роторный двигатель будет осуществлять количество рабочих циклов равное количеству лопастей ротора.

Очевидно, что такая схема двигателя позволяет получать большее КПД и мощность чем у ныне существующих систем, при меньшем расходе топлива и при этом иметь, в отличие от прототипа, боле простое устройство с меньшим числом деталей и конструктивных элементов.

В заявке представлен четырехлопастный вариант двигателя.

Представляются следующие чертежи, раскрывающие сущность представляемого здесь изобретения:

На Фиг. 1 представлен вид двигателя снизу (со стороны дна ротора).

На Фиг. 2 представлен вид двигателя сверху (со стороны крышки статора).

На Фиг. 3 представлен ротор.

На Фиг. 4 представлен статор.

На Фиг. 5 представлен вертикальный разрез двигателя, проходящий через плоскость лопастей ротора.

На Фиг. 6 представлен вертикальный разрез двигателя, проходящий через плоскость задвижек ротора.

На Фиг. 7 представлен вертикальный разрез двигателя.

На Фиг. 8 представлено дно стакана камеры зажигания статора.

На Фиг. 9 представлена соприкасающаяся с дном стакана камеры зажигания статора часть дна ротора, со схемой проекции газопроводных каналов внутри лопастей ротора.

На Фиг. 10 представлено положение ротора, при котором поступление газов горения из камеры зажигания в камеры расширения перекрыто.

На Фиг. 11 представлено положение ротора, при котором поступление газов горения из камеры зажигания в камеры расширения открыто.

На Фиг. 12 представлена схема, показывающая принцип перекрытия поднятой задвижкой камеры сжатия доступа топливной смеси в камеру сжатия.

На Фиг. 13 представлена схема, показывающая принцип открытия опущенной задвижкой камеры сжатия доступа топливной смеси в камеру сжатия.

На Фиг. 14 представлен горизонтальный разрез двигателя показывающий положение деталей двигателя в начальный момент рабочего цикла.

На Фиг. 15 представлен горизонтальный разрез двигателя показывающий положение деталей двигателя в стадии расширения.

На Фиг. 16 представлен горизонтальный разрез двигателя показывающий положение деталей двигателя в момент окончания стадии расширения и начала холостого хода.

На Фиг. 17 представлен горизонтальный разрез двигателя показывающий положение деталей двигателя в момент окончания холостого хода и начале нового рабочего цикла.

На Фиг. 18 представлена схема показывающая принцип устройства механизма управления положением и движением задвижек.

На представленных в данной заявке чертежах отображены детали и элементы двигателя имеющие следующие обозначения:

1. Цилиндрический ротор.

2. Цилиндрический статор.

3. Газопроводный канал ротора (4 канала).

4. Дна ротора.

5. Внешний цилиндр ротора.

6. Внутренней цилиндр ротора.

7. Цилиндр камеры зажигания ротора.

8. Лопасть области расширения ротора.

9. Сопло выхода газов горения из лопасти 8.

10. Лопасть области расширения ротора.

11. Сопло выхода газов горения из лопасти 11.

12. Лопасть области расширения ротора.

13. Сопло выхода газов горения из лопасти 12.

14. Лопасть области расширения ротора.

15. Сопло выхода газов горения из лопасти 14.

16. Задвижка области расширения.

17. Задвижка области расширения.

18. Задвижка области расширения.

19. Задвижка области расширения.

20. Вырез в боковой стенке цилиндра камеры зажигания ротора (2 выреза).

21. Лопасть зоны сжатия.

22. Лопасть зоны сжатия.

23. Лопасть зоны сжатия.

24. Лопасть зоны сжатия.

25. Задвижка области сжатия.

26. Задвижка области сжатия.

27. Задвижка области сжатия.

28. Задвижка области сжатия.

29. Сквозной выхлопной вырез в статоре (4 выреза).

30. Сквозной радиальный вырез в статоре для задвижки области сжатия (4 выреза).

31. Заглушка камеры зажигания.

32. Радиальный вырез в статоре для задвижки области расширения (4 выреза).

33. Кольцевой вырез в статоре для внутреннего цилиндра ротора.

34. Стакан камеры зажигания статора.

35. Вырез в дне стакана камеры зажигания статора (4 выреза).

36. Вырез в боковой стенке стакана камеры зажигания статора (4 выреза).

37. Тяга задвижки, (две на задвижку).

38. Опоясывающие вырезы в стенках цилиндров ротора механизма управления задвижками.

39. Вырез в дне ротора для прохода газов горения из камеры зажигания в область расширения. (4 выреза).

40. Подшипник двигателя.

41. Кольцевой вырез в статоре для цилиндра камеры зажигания ротора

42. Крышка статора.

Сборка предоставляемого здесь двигателя осуществляется посредством следующих операций:

В ротор 1 вставляются задвижки:

- Задвижки области расширения 16, 17, 18, 19 вставляются тягами 37 в опоясывающие внутреннюю поверхность внешнего цилиндра ротора 5 и внешнюю поверхность внутреннего цилиндра ротора 6 вырезы 38.

- Задвижки области сжатия 21, 22, 23, 24 вставляются тягами 37 в опоясывающие внутреннюю поверхность цилиндра ротора 6 и внешнюю поверхность цилиндра камеры зажигания ротора 7 вырезы 38.

Статор 2 вставляется в ротор 1 таким образом, что:

- тело статора 2 оказывается внутри ротора 1

- крышка статора 42 оказывается поверх ротора

- внешний цилиндр ротора 5 опоясывает боковую поверхность цилиндра статора

- внутренний цилиндр ротора 6 входит в кольцевой вырез статора 33

- цилиндр камеры зажигания ротора 7 входит в кольцевой вырез статора 41

- задвижки области расширения 16, 17, 18, 19 входят в радиальные вырезы статора 32

- задвижки области сжатия 21, 22, 23, 24 входят в сквозные радиальные вырезы стартера 30

- цилиндр (стакан) камеры зажигания статора 34 входит в цилиндр камеры зажигания ротора 7 и соприкасается своим дном с дном ротора 4.

- дно статора соприкасается с лопастями ротора 16, 17, 18, 19 и 21, 22, 23, 24

- заглушка камеры зажигания 31 вставляется в стакан камеры зажигания статора 34 образуя камеру зажигания.

Между внешним цилиндром ротора 5 и крышкой статора 42 находится подшипник двигателя 40, таким образом ротор двигателя свободно вращается вокруг неподвижного статора.

На Фиг. 14, 15, 16, 17 изображены фазы работы предоставляемого роторного двигателя внутреннего сгорания показывающие, как происходит его работа.

На Фиг. 14 изображена начальная фаза работы двигателя:

- Лопасть области расширения ротора 8 прижата к опущенной задвижке области расширения 16.

- Лопасть области расширения ротора 10 прижата к опущенной задвижке области расширения 17.

- Лопасть области расширения ротора 12 прижата к опущенной задвижке области расширения 18.

- Лопасть области расширения ротора 14 прижата к опущенной задвижке области расширения 19.

- Лопасть области сжатия ротора 24 прижата к опущенной задвижке области сжатия 28.

- Задвижка области сжатия 25 поднята.

- Лопасть области сжатия ротора 22 прижата к опущенной задвижке области сжатия 17.

- Задвижка области сжатия 27 поднята.

- Камера сжатия Кс1 между лопастью области сжатия 23 и опущенной задвижкой области сжатия 28 заполнена готовой к сжатию топливной смесью.

- Камера сжатия Кс3 между лопастью области сжатия 21 и опущенной задвижкой области сжатия 26 заполнена готовой к сжатию топливной смесью.

- Вырез в боковой стенке цилиндра камеры зажигания ротора 20 у лопасти 23 не совмещен с вырезом в боковой стенке стакана камеры зажигания статора 36.

- Вырез в боковой стенке цилиндра камеры зажигания ротора 20 у лопасти 21 не совмещен с вырезом в боковой стенке стакана камеры зажигания статора 36.

- Камера зажигания в центре двигателя наполнена сжатой топливной смесью.

При зажигание сжатой топливной смеси, газы горения из камеры зажигания через вырезы в дне стакана камеры зажигания статора 35 и совмещенные с ним вырезы в дне ротора 39 (как показано на Фига. 11) начнут поступать, через газопроводы каналы 3, в область расширения.

На Фиг. 15 изображено положение основных механизмов двигателя в стадии расширения:

- Газы горения из сопла 9 входят в камеру расширения Кр1 образованной отходящей от опущенной задвижки области расширения 16 лопастью области расширения ротора 8.

- Газы горения из сопла 11 входят в камеру расширения Кр2 образованной отходящей от опущенной задвижки области расширения 17 лопастью области расширения ротора 10.

- Газы горения из сопла 15 входят в камеру расширения Кр3 образованной отходящей от опущенной задвижки области расширения 18уюпастью области расширения ротора 12.

- Газы горения из сопла 13 входят в камеру расширения Кр4 образованной отходящей от опущенной задвижки области расширения 19 лопастью области расширения ротора 14.

- В камере сжатия Кс1 происходит сжатие топливной смеси движением лопасти области сжатия 23 к опущенной задвижке области сжатия 28.

- Лопасть области сжатия 24 отходит от опущенной задвижки области сжатия 28 образуя расширяющуюся камеру Кс2 заполняемую засасываемой через соответствующий вырез 30 топливной смесью.

- В камере сжатия Кс3 происходит сжатие топливной смеси движением лопасти области сжатия 21 к опущенной задвижке области сжатия 17.

- Лопасть области сжатия 22 отходит от опущенной задвижки области сжатия 26 образуя расширяющуюся камеру Кс4 заполняемую засасываемой через соответствующий вырез 30 топливной смесью.

- Задвижка области сжатия 25 поднята.

- Задвижка области сжатия 27 поднята.

- Вырез в боковой стенке цилиндра камеры зажигания ротора 20 у лопасти 23 не совмещен с вырезом в боковой стенке стакана камеры зажигания статора 36.

- Вырез в боковой стенке цилиндра камеры зажигания ротора 20 у лопасти 21 не совмещен с вырезом в боковой стенке стакана камеры зажигания статора 36.

- В камера зажигания в центре двигателя продолжается горение топливной смесью.

На Фиг. 16 изображено положение основных механизмов двигателя в момент окончания стадии расширения и начала холостого цикла работы двигателя:

- Вырез в боковой стенке цилиндра камеры зажигания ротора 20 у лопасти 23 подошел к вырезу в боковой стенке стакана камеры зажигания статора 36, при дальнейшем повороте ротора соответствующие вырезы 20 и 36 совместятся и сжимаемая топливная смесь из камеры Кс1 начнет поступать в камеру зажигания.

- Вырез в боковой стенке цилиндра камеры зажигания ротора 20 у лопасти 21 подошел к вырезу в боковой стенке стакана камеры зажигания статора 36, при дальнейшем повороте ротора соответствующие вырезы 20 и 36 совместятся и сжимаемая топливная смесь из камеры Кс3 начнет поступать в камеру зажигания.

- Лопасть области сжатия 24 продолжает отходит от опущенной задвижки области сжатия 28 образуя расширяющуюся камеру Кс2 заполняемую засасываемой через соответствующий вырез 30 топливной смесью.

- Лопасть области сжатия 22 продолжает отходить от опущенной задвижки области сжатия 26 образуя расширяющуюся камеру Кс4 заполняемую засасываемой через соответствующий вырез 30 топливной смесью.

- Задвижки области расширения 12, 16, 17, 18 подняты и не мешают движению лопастей ротора зоны расширения 8, 10, 12, 14.

- Задвижка области сжатия 25 поднята.

- Задвижка области сжатия 27 поднята.

Вырезы в дне стакана камеры зажигания статора 35 не совмещены вырезами в дне ротора 39, как показано на Фиг. 10. Поступающая в камеру зажигания сжатия топливная смесь остается в ней.

На Фиг. 17 изображено положение основных механизмов двигателя в момент окончания стадии холостого цикла работы двигателя и начале новой стадии расширения. Положение основных механизмов двигателя аналогично их положению на Фиг. 14, с поворотом на 90°:

- Лопасть области расширения ротора 8 прижата к опущенной задвижке области расширения 17.

- Лопасть области расширения ротора 10 прижата к опущенной задвижке области расширения 18.

- Лопасть области расширения ротора 12 прижата к опущенной задвижке области расширения 19.

- Лопасть области расширения ротора 14 прижата к опущенной задвижке области расширения 16.

- Лопасть области сжатия ротора 24 прижата к опущенной задвижке области сжатия 25.

- Задвижка области сжатия 28 поднята.

- Лопасть области сжатия ротора 22 прижата к опущенной задвижке области сжатия 27.

- Задвижка области сжатия 26 поднята.

- Камера сжатия Кс2 между лопастью области сжатия 23 и опущенной задвижкой области сжатия 25 заполнена готовой к сжатию топливной смесью.

- Камера сжатия Кс4 между лопастью области сжатия 21 и опущенной задвижкой области сжатия 27 заполнена готовой к сжатию топливной смесью.

- Вырез в боковой стенке цилиндра камеры зажигания ротора 20 у лопасти 23 не совмещен с вырезом в боковой стенке стакана камеры зажигания статора 36.

- Вырез в боковой стенке цилиндра камеры зажигания ротора 20 у лопасти 21 не совмещен с вырезом в боковой стенке стакана камеры зажигания статора 36.

- Камера зажигания в центре двигателя наполнена сжатой топливной смесью.

В следующем цикле расширения сжатие топливной смеси будет происходить в камерах Кс2 и Кс4, засасывание топливной смеси в камеры Кс1 и Кс2.

За один оборот представляемый здесь четырехлопастный двигатель совершит четыре рабочих цикла. В этом типе двигателя количество рабочих циклов на оборот равно количеству лопастей в нем.

На Фиг. 18 представлена схема показывающая принцип устройства механизма управления положением и движением задвижек на примере задвижек зоны расширения.

Задвижки зоны расширения 18 16, 17, 18, 19 вставляются тягами 37 (по две на задвижку, расположены по бокам задвижки) в опоясывающие внутреннюю поверхность внешнего цилиндра ротора 5 и внешнюю поверхность внутреннего цилиндра ротора 6 вырезы 38. Так как задвижки 18 16, 17, 18, 19 входят в вырезы статора 30 они могут перемещаться только в вертикальной плоскости, внутри вырезов стартера 30, поэтому во время вращения ротора опоясывающие вырезы на его боковых поверхностях цилиндров 5 и 6 будут воздействовать на тяги задвижек 37, двигая задвижки в вертикальных плоскостях или удерживая их в поднятой или опущенном положении.

Механизм движения задвижек области сжатия аналогичен.

Заглушка камеры зажигания 31 имеет возможность вертикального движения в стакане камеры зажигания статора 34 изменяя объем камеры зажигания и, следовательно, меняя степень сжатия топливной смеси в процессе работы двигателя.

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 ротора, статора и задвижек. При этом зона сжатия, в которой образуются рабочие камеры, в которых происходит сжатие топливной смеси и в которые всасывается топливная смесь, зона расширения, в которой образуются рабочие камеры, в которых происходит расширения газов горения, и камера зажигания, в которой происходит зажигание сжатой топливной смеси, находятся в отдельных частях ротора и имеют независимые объемы. Ротор состоит из концентрических цилиндров, имеющих общее дно. Причем в центре ротора расположен цилиндр камеры зажигания, вокруг него цилиндр зоны сжатия, а вокруг цилиндра области сжатия расположен внешний цилиндр ротора. 9 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Многолопастный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из ротора, статора и задвижек, отличается тем, что зона сжатия, в которой образуются рабочие камеры, в которых происходит сжатие топливной смеси и в которые всасывается топливная смесь, зона расширения, в которой образуются рабочие камеры, в которых происходит расширения газов горения, и камера зажигания, в которой происходит зажигание сжатой топливной смеси, находятся в отдельных частях ротора и имеют независимые объемы.

2. Двигатель по п. 1 отличается тем, что ротор состоит из концентрических цилиндров, имеющих общее дно: в центре цилиндр камеры зажигания, вокруг него цилиндр зоны сжатия, вокруг цилиндра области сжатия внешний цилиндр ротора.

3. Двигатель по п. 2 отличается тем, что кольцо зоны расширения, расположенное между внешним цилиндром ротора и цилиндром зоны сжатия, кольцо зоны сжатия, расположенное между цилиндром зоны сжатия и цилиндром камеры зажигания ротора, разделены на секторы радиальными лопастями, меньшими по высоте, чем стенки цилиндров ротора.

4. Двигатель по п. 1 отличается тем, что статор в своем теле имеет радиальные и концентрические вырезы, в которые входят задвижки и стенки цилиндров ротора.

5. Двигатель по п. 1 отличается тем, что в центре статор имеет цилиндрический стакан камеры зажигания, который входит в цилиндр камеры зажигания ротора и который соприкасается своим дном с дном ротора, а своей внешней поверхностью с внутренней поверхностью цилиндра камеры зажигания ротора.

6. Двигатель по п. 1 отличается тем, что рабочие камеры, в которых в зоне сжатия происходит засасывание и сжатие топливной смеси и в которых в зоне расширения происходит расширение газов горения, образуются входящими в зоны сжатия и расширения задвижками, двигаемыми вращением ротора, и ограничены задвижками, лопастями, боковыми поверхностями цилиндров ротора, дном ротора и нижней поверхностью тела статора.

7. Двигатель по п. 2 отличается тем, что цилиндр камеры зажигания ротора имеет вырезы в боковой поверхности.

8. Двигатель по п. 5 отличается тем, что цилиндрический стакан камеры зажигания статора имеет вырезы в боковой поверхности и дне.

9. Двигатель по п. 3 отличается тем, что внутри лопастей ротора имеются каналы, по которым газы горения из камеры зажигания перетекают в зону расширения через соответствующие этим каналам вырезы в дне ротора в той его части, где он соприкасается с дном стакана камеры зажигания статора.

10. Двигатель по п. 9 отличается тем, что когда вырезы на дне стакана камеры зажигания статора совмещены с вырезами на дне ротора, то вырезы на боковой поверхности цилиндра камеры зажигания ротора и вырезы на боковой поверхности стакана камеры зажигания статора не совмещены, когда вырезы на боковой поверхности цилиндра камеры зажигания ротора и вырезы на боковой поверхности стакана камеры зажигания статора совмещены, то не совмещены вырезы на дне стакана камеры зажигания статора с вырезами на дне ротора.