Комбинированный роторно-поршневой двигатель с рабочими камерами в дисках ротора Российский патент 2020 года по МПК F02B41/10 F02B53/02 F02B55/16 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к комбинированным 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 объединяет в один механизм двигатель внутреннего сгорания и роторный двигатель внешнего сгорания.

Данное изобретение позволяет увеличивать мощность и КПД любых типов ДВС по сути простым добавлением, «навешивание» на рабочий вал двигателя роторного двигателя внешнего сгорания.

Известен комбинированный роторно-поршневой двигатель с реактивным эффектом, патент РФ RU 2667847 С1 «Комбинированный роторно-поршневой двигатель с реактивным эффектом», где отработанные газы поршневого ДВС отводятся в находящийся с ним на одном валу роторный двигатель. Таким образом, вал двигателя проворачивается под воздействием, как движения поршней в цилиндрах поршневого ДВС, в которых происходит сгорание топлива, так и под воздействием на лопатки ротора давления отработанных газов из поршневого ДВС, а так же под воздействием реактивного импульса от выходящих из лопаток ротора газов горения.

Отработанные газы из поршневого ДВС отводятся в рабочую камеру роторного двигателя, объем которой превышает рабочий объем цилиндра поршневого ДВС настолько, чтобы в конце рабочего цикла давление газов в рабочей камере роторного двигателя было близко к давлению внешнему давлению, что дает максимальное использование остаточной энергии выходных газов.

Таким образом данная схема имеет все плюсы компаудной схемы:

• повышение КПД мотора за счет более полного использования энергии, содержащейся в рабочем теле (паре или газах);

• уменьшение температуры и давления отработавшего рабочего тела. Что позволяет уменьшить и упростить глушитель на ДВС, а, следовательно, сделать эти элементы конструкции дешевле.

И лишена присущих другим вариантам компаундов недостатков:

• существенного усложнение конструкции из-за внедрения дополнительных цилиндров или сложных в изготовление и эксплуатации турбин;

• возможное уменьшение удельной мощности (зависит от конкретной конструкции) из-за внедрения дополнительных цилиндров в сравнении с двигателем однократного расширения.

Данное устройство «Комбинированный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания», патент РФ RU 2667847 С1, является прототипом предоставляемого здесь изобретения.

Целью предоставляемого здесь изобретения является упрощение механизма прототипа и исключением трения скольжения между движущимися частями механизма роторного двигателя внешнего сгорания.

В представляемом в заявке устройстве удалось добиться существенной интеграции узлов двигателя, кардинально упростив его конструкцию по сравнению с прототипом. Так, в прототипе присутствует диск управляющий движением задвижек, как отдельная часть механизма двигателя, который исключен в конструкции двигателя в представляемом изобретении.

Кроме того, в представляемом в заявке устройстве отсутствует трение скольжения между частями механизма, что делает его эффективней прототипа, в котором присутствуют трение скольжения между лопастями ротора и стенками рабочей камеры двигателя, а так же, между задвижками и стенками рабочей камеры.

Изобретение предлагает устройство роторного двигателя, все рабочие поверхности частей которого являются либо частями поверхностей концентрических сфер с центром в центральной точке двигателя, либо поверхностей конусов с центром в центральной точке двигателя, либо плоскостей проходящих через ось двигателя, проходящую через центральную точку двигателя.

В представляемом изобретении все подвижные части механизма двигателя, в процессе его работы, совершают вращательные движения относительно неподвижного статора и друг друга, вращаясь вокруг центральной точки двигателя. Рабочий вал двигателя вращается вокруг оси двигателя, проходящей через его центральную точку. Таким образом роторный двигатель внешнего сгорания, по сути, представляет подшипник, в котором минимизировано трение скольжение.

Изобретения реализуется в отдельном, довольно просто устроенным, имеющим незначительные по сравнению с поршневым мотором размеры блоке (например для четырехцилиндрового мотора объемом 1,0 литров рабочий объем ротора буде, оценочно, 3,4-5 литра в зависимости от типа двигателя, что например примерно соответствует габаритам цилиндров радиусом 12 см - 17 см при высоте - 15 см соответственно) который можно присоединять к рабочему валу и выхлопному коллектору уже существующих ДВС, и получать в результате более мощную и экономичную двигательную систему. Так оценка приращения мощности для однолитрового мотора лежит в пределах от 35 до 51 лошадиной силы.

Использование ротора внешнего сгорания позволит создать комбинированные двигатели широкого диапазона и литража, в том числе и малолитражные, не внося изменений в конструкцию ДВС.

Устройство представляет собой роторный двигатель внешнего сгорания, соединяющиеся своим рабочим валом с рабочим валом ДВС и входной трубкой с коллектором выхлопных газов ДВС.

Предлагаемое устройство состоит из следующих основных частей:

• Рабочего вала двигателя.

• Ротора двигателя.

• Статора двигателя.

• Роликов-задвижек.

На представляемых фигурах чертежей представлены следующие изображения:

На Фигуре 1 представлен общий вид роторного двигателя внешнего сгорания.

На Фигуре 2 представлен общий вид компаудного двигателя состоящего из поршневого ДВС и роторного двигателя внешнего сгорания.

На Фигуре 3 представлен общий вид статора двигателя.

На Фигуре 4 представлен разрез статора по а-а.

На Фигуре 5 представлен разрез статора по б-б.

На Фигуре 6 представлен «левый» ролик-задвижка, вид сбоку.

На Фигуре 7 представлен «правый» ролик-задвижка, вид сбоку.

На Фигуре 8 представлен ролик-задвижка, вид спереди.

На Фигуре 9 представлен ролик-задвижка, вид сзади.

На Фигуре 10 представлен ротор, общий вид со стороны канала ввода рабочего тела.

На Фигуре 11 представлен ротор, общий вид со стороны рабочего вала.

На Фигуре 12 представлен ротор, вид сбоку.

На Фигуре 13 представлен ротор, вид сбоку.

На Фигуре 14 представлен разрез ротора по г-г.

На Фигуре 15 представлен разрез ротора по в-в.

На Фигуре 16 представлен разрез ротора по д-д.

На Фигуре 17 представлены совмещенные по б-б разрезы верхнего диска ротора по е-0 и 0-ж.

На Фигуре 18 представлены совмещенные по б-б разрезы нижнего диска ротора по е-0 и 0-ж.

На Фигуре 19 представлен разрез роторного двигателя внешнего сгорания по г-г.

На Фигуре 20 представлен разрез роторного двигателя внешнего сгорания по в-в.

На Фигуре 21 представлен разрез роторного двигателя внешнего сгорания по д-д.

На Фигуре 22 представлены совмещенные по б-б разрезы верхнего диска роторного двигателя внешнего сгорания по е-0 и 0-ж, с положением ротора и задвижек в середине рабочего цикла.

На Фигуре 23 представлены совмещенные по б-б разрезы нижнего диска роторного двигателя внешнего сгорания по е-0 и 0-ж, с положением ротора и задвижек в середине рабочего цикла.

На Фигуре 24 представлены совмещенные по б-б разрезы верхнего диска роторного двигателя внешнего сгорания по е-0 и 0-ж, с положением ротора и задвижек в начале рабочего цикла.

На Фигуре 25 представлены совмещенные по б-б разрезы верхнего диска роторного двигателя внешнего сгорания по е-0 и 0-ж, с положением ротора и задвижек в конце рабочего цикла.

На Фигуре 26 представлены совмещенные по б-б разрезы нижнего диска роторного двигателя внешнего сгорания по е-0 и 0-ж, с положением ротора и задвижек в начале рабочего цикла.

На Фигуре 27 представлены совмещенные по б-б разрезы нижнего диска роторного двигателя внешнего сгорания по е-0 и 0-ж, с положением ротора и задвижек в конце рабочего цикла.

На Фигуре 28 представлена схема, показывающая расположение и движение ротора и роликов-задвижек относительно статора в начале фазового перехода в процессе работы двигателя.

На Фигуре 29 представлена схема, показывающая расположение и движение ротора и роликов-задвижек относительно статора в процессе фазового перехода в процессе работы двигателя.

На Фигуре 30 представлена схема, показывающая расположение и движение ротора и роликов-задвижек относительно статора в окончание фазового перехода в процессе работы двигателя.

На Фигуре 31 представлена схема, показывающая расположение ротора и роликов-задвижек относительно статора в рабочем цикле двигателя.

Представленный здесь компаудный двигатель состоящий из роторного двигателя внешнего сгорания и поршневого ДВС состоит из частей и элементов имеющих в данной заявке следующие обозначения:

1 - Рабочий вал.

2 - Ротор двигателя.

2.1 - канал выхода отработанных газов из ротора двигателя.

2.2 - канал выхода отработанных газов из ротора двигателя.

2.3 - вал ротора через который в ротор поступает рабочее тело из поршневого ДВС.

2.4 - канал в вале ротора по которому в ротор поступает рабочее тело из поршневого ДВС.

2.5 - «левый/верхний» диск ротора.

2.6 - «правый/нижний» диск ротора.

2.7 - газовый канал в диске ротора 2.5.

2.8 - газовый канал в диске ротора 2.6.

2.9 - дно углубления в диске ротора 2.5.

2.10 - дно углубления в диске ротора 2.6.

2.11 - наклонная боковая стенка углубления в диске ротора 2.5.

2.12 - наклонная боковая стенка углубления в диске ротора 2.6.

2.13 - наклонная боковая стенка углубления в диске ротора 2.5.

2.14 - наклонная боковая стенка углубления в диске ротора 2.6.

3 - Статор двигателя.

3.1 - опора статор.

3.2 - отверстие в центре статора для вала ротора.

3.3 - вырез в статоре для ролика - задвижки.

3.4 - вырез в статоре для ролика - задвижки.

4 - поршневой ДВС.

4.1 - газопровод выхлопных газов из поршневого ДВС в роторный двигатель внешнего сгорания.

5.1 - ролик-задвижка.

5.2 - ролик-задвижка.

6 - ролики между статором и ротором, обеспечивающие вращение ротора относительно статора, как подшипника качения.

Роторный двигатель внешнего сгорания присоединяется к любому ДВС так, что его рабочий вал сочленяется с рабочим валом ДВС, а коллектор выхлопных газов ДВС соединяется с трубкой входа выхлопных газов из ДВС в рабочую камеру акселератора ДВС (Фиг. 2).

Полученная таким образом система представляет собой комбинированный двигатель состоящий из сочлененных по рабочему валу двигателя внутреннего сгорания и роторного двигателя внешнего сгорания.

Рабочий вал проворачивается как под воздействием ДВС, так и под воздействием роторного двигателя внешнего сгорания, использующего остаточную энергию выхлопных газов ДВС.

В представленном здесь роторном двигателе внешнего сгорания, ролики-задвижки 5.1,5.2, являются телами качения, форма которых является частью шарового сектора между двумя концентрическими сферами (или шарового сектора обрезанного поверхностью концентрической сферой меньшего радиуса). Фронтальные поверхности роликов-задвижек являются сферическими сегментами двух концентрических сфер, а боковая поверхность - частью конуса, соединяющая шаровые сегменты их фронтальных поверхностей (Фиг. 6, Фиг. 7, Фиг. 8, Фиг. 9), вставлены в 3.3, 3.4 - сквозные прорези в теле статора для роликов-задвижек внешнего кольца ротора, соответственно (Фиг. 3, Фиг. 4). Ролики-задвижки 5.1, 5.2 вставлены так, что они могут свободно перемещаться вверх-вниз внутри соответствующих прорезей 3.3, 3.4. Боковые поверхности роликов-задвижек 5.1, 5.2 являющиеся поверхностью усеченного конуса, соприкасаются с боковыми поверхностями прорезей 3.3 и 3.4 и, в процессе вращения ротора, с поверхностью, примыкающей к поверхности статора, верхнего или нижнего диска ротора и дном углублений 2.9 и 2.10 дисков ротора, либо с боковыми стенками 2.11, 2.12, 2.13, 2.14 углублений на дисках ротора. Фронтальные передние и задние поверхности роликов-задвижек 5.1, 5.2 образуют с фронтальными передними и задними поверхностями прорезей 3.3 и 3.4 являющихся частями поверхностей шаровых поясов концентрических сфер, и фронтальными передними и задними стенками углублений ротора двигателя, также являющихся частями поверхностей шаровых поясов концентрических сфер соответствующего радиуса, шаровое соединение.

В представленном здесь двигателе, при вращение ротора, в углублениях в дисках ротора, образуются камеры расширения, в которых происходит преобразование энергии рабочего тела, входящего в эти камеры из поршневого ДВС через канал 2.4 в центре ротора через каналы 2.7, 2.8, в механическую работу вращения ротора.

В данном варианте двигателя будет образоваться две таких камеры (Фиг. 22, Фиг. 23), по одной в дисках 2.5 и 2.6.

Камеры расширения, образуемые при работе двигателя, будут ограничены:

• нижней или верхней поверхностью статора

• поверхностями роликов-задвижек вошедших в соответствующие углубления внутреннего кольца ротора

• дном и фронтальными поверхностями углублений в дисках ротора

• передними боковыми поверхностями (2.11 и 2.12) углублений в дисках ротора.

Одновременно в углублениях в дисках ротора, образуются две выхлопные камеры, из которых происходит выход отработанного рабочего тела из двигателя, оставшегося от предыдущего рабочего цикла через каналы 2.1 и 2.2. Выхлопные камеры ротора образуемые при работе двигателя, будут ограничены:

• нижней или верхней поверхностью статора

• поверхностями роликов-задвижек вошедших в соответствующие углубления ротора

• дном и фронтальными поверхностями углублений ротора

• задними боковыми поверхностями углублений (2.13 и 2.14) ротора.

Иными словами, входя в углубление ротора ролик-задвижка делит его на две части, на камеру расширения и выхлопную камеру. Камера расширения располагается в той части углубления ротора, где в нее входит рабочие тело, оказывая давление на переднюю стенку углубления, а выхлопная камера, где рабочие тело выходит из углубления. Таким образом давление входящего в камеру расширения рабочего тела на переднюю стенку углубления ротора будет больше чем на заднюю стенку углубления ротора в выхлопной камере, и, следовательно, ротор будет получать импульс вращения (Фиг. 22 - Фиг. 27).

В процессе работы двигателя ролики-задвижки под давлением наезжающих а них боковых стенок углублений перекатывается вверх-вниз, последовательно входя в углубления на разных дисках ротора, из углубления на диске 2.5 в углубление на диске 2.6 и наоборот, такой переход роликов-задвижек называется фазовым переходом.

На Фиг. 28, Фиг. 29, Фиг. 30 представлены этапы фазового перехода роликов-задвижек 5.1 и 5.2 ротора.

На Фиг. 28 показано положение роликов-задвижек 5.1 и 5.2 в начале фазового перехода.

• В углубление в диске ротора 2.5 заканчивается процесс расширения. Камера расширения, ограниченная верхней поверхностью статора, передней стенкой углубления 2.11, дном углубления 2.9 и поверхностью ролика-задвижки 5.2, достигла максимального объема.

• В углубление в диске ротора 2.6 заканчивается процесс расширения. Камера расширения, ограниченная верхней поверхностью статора, передней стенкой углубления 2.12, дном углубления 2.10 и поверхностью ролика-задвижки 5.1, достигла максимального объема.

• Выхлопная камера, ограниченная задней поверхностью 2.13, поверхностью ролика-задвижки 5.2 и верхней поверхности статора, достигла минимального объема, весь объем отработанного рабочего тела, оставшейся в ней предыдущего цикла, удален из нее через выхлопной канал 2.1.

• Выхлопная камера, в углублении диска ротора 2.6 ограниченная боковой поверхностью 2.14, поверхностью ролика-задвижки 5.1 и нижней поверхности статора, достигла минимального объема, все отработанные газы горения, с прошлого цикла, удалены из нее через выхлопной канал 2.2.

• Задняя стенка углубления 2.13 начинает наезжать на ролик-задвижку 5.2 толкая его вниз. Поверхность диска ротора 2.6, обращенная к нижней поверхности статора, уходит из-под ролика-задвижки 5.2, переставая его держать в верхнем положении, и под него подходит углубление в диске ротора 2.6. При дальнейшем наезде задней стенки углубления 2.13 на ролик-задвижку 5.2 он будет скатываться вниз, в углубление в диске ротора 2.6, по наклонной передней стенке углубления 2.12.

• Задняя стенка углубления 2.14 начинает наезжать на ролик-задвижку 5.1 толкая его вверх. Поверхность верхнего диска ротора, обращенная к верхней поверхности статора, сдвигается над роликом-задвижкой 5.1, переставая его удерживать в нижнем положении, и над ним появляется углубление в диске ротора 2.5. При дальнейшем наезде задней стенки углубления в роторе 2.14 на ролик-задвижку 5.1, он будет подниматься вверх, в углубление в диске 2.5, касаясь передней стенки углубления 2.14.

На Фиг. 29 показано положение роликов-задвижек 5.1 и 5.2 в процессе фазового перехода.

• Задвижка 5.1 поднимается в углубление на диске 2.5, задвижка 5.2 упускается в углубление на диске 2.6.

На Фиг. 30 показано положение роликов-задвижек 5.1 и 5.2 в конце фазового перехода.

• Ролик-задвижка 5.1 поднялся вверх, в углубление на диске 2.5, касаясь поверхности дна углубления 2. 9. Под него подходит поверхность диска ротора 2.6, обращенная к нижней поверхности статора, удерживая ролик-задвижку 5.1 в верхнем положении.

• Ролик-задвижка 5.2 опустился вниз, в углубление в диске 2.62, касаясь поверхности 2.10. На него надвигается поверхность верхнего диска ротора, обращенная к верхней поверхности статора, удерживая ролик-задвижку 5.2 в нижнем положении.

• В углубление в диске ротора 2.5 начинается процесс расширения. В углублении в диске ротора 2.5 сформированы камера расширения и выхлопная камера.

• Камера расширения, ограниченная верхней поверхностью статора, передней поверхностью 2.11 углубления в диске 2.5 и поверхностью ролика-задвижки 5.1, имеет минимальный объем.

• Выхлопная камера, ограниченная верхней поверхностью статора, задней поверхностью 2.13 углубления в диске 2.5, поверхностью ролика-задвижки 5.1 и дном углубления 2.9, имеет максимальный объем.

• Камера расширения, ограниченная нижней поверхностью статора, передней стенкой 2.12 и поверхностью ролика-задвижки 5.2, имеет минимальный объем.

• В камеры расширения через каналы 2.7 и 2.8 в передних стенках углублений 2.11 и 2.12, соответственно, начинает поступать рабочие тело.

На Фиг. 31 представлена схема, показывающая расположение ротора и двух смежных роликов-задвижек внешнего кольца статора относительно статора в очередном рабочем цикле двигателя.

• Ролик-задвижка 5.1 поднят вверх, в углубление в диске 2.5. Под ним движется поверхность диска ротора 2.6, по которой он катится. Над ним движется поверхность углубления 2.9 в диске ротора 2.5, которого он касается.

• Ролик-задвижка 5.2 опущен вниз, в углубление в диске ротора 2.10. Над ним движется поверхность верхнего диска ротора, которой он касается. Под ним движется поверхность 2.10 дна углубления в диске 2.6 ротора, по которой он катится.

• В углублении диска 2.5 ротора камера расширения, ограниченная верхней поверхностью статора, передней стенкой углубления 2.11, поверхностью ролика-задвижки 5.1 и поверхностью дна 2.9 углубления в диске 2.5 ротора, расширяется.

• В углублении диска 2.5 выхлопная камера, ограниченная верхней поверхностью статора, задней стенкой углубления 2.13, поверхностью ролика-задвижки 5.1 и поверхностью дна 2.9 углубления в диске 2.5 ротора, сжимается. Через выхлопной канал 2.1 из нее выходит отработанное рабочие тело.

• В углублении диска 2.6 ротора камера расширения, ограниченная нижней поверхностью статора, передней стенкой углубления 2.12, поверхностью ролика-задвижки 5.2 и поверхностью дна 2.10 углубления в диске 2.6 ротора, расширяется.

• В углублении диска 2.6 выхлопная камера, ограниченная верхней поверхностью статора, задней стенкой углубления 2.14, поверхностью ролика-задвижки 5.2 и поверхностью дна 2.10 углубления в диске 2.6 ротора, сжимается. Через выхлопной канал 2.2 из нее выходит отработанное рабочие тело.

Таким образом, выхлопные газы поршневого ДВС попадая в роторный двигатель внешнего сгорания, имеющий общий рабочий вал, увеличивают мощность и КПД всей системы.

В представленном здесь двигателе, объемы камер ротора двигателя внешнего сгорания имеют достаточный объем, чтобы в конце рабочего цикла, давление рабочего тела, поступающего в ротор как выхлоп поршневого ДВС, в выхлопных камерах роторного двигателя внешнего сгорания было на уровне давления внешней среды. Таким образом в роторном двигателе внешнего сгорания остаточная энергия выхлопных газов из поршневого двигателя будет полностью преобразована в механическую работу вращения вала комбинированного двигателя.

Кроме того представленная в заявке конструкция двигателя обладает следующими свойствами:

• ротор крутится относительно статора на роликах кольцеобразно расположенных вокруг зон расширения и сжатия

• ролики-задвижки двигателя движутся в вырезах статора совершая вращательное движения

Таким образов в представленном в данной заявке двигателе будет минимизировано трение скольжения между частями его механизма, при работе двигателя между движущимися частями его механизма будет возникать трение качения, что повышает его эффективность.

Изобретение может быть использовано в комбинированных двигателях внутреннего сгорания. Комбинированный двигатель состоит из двигателя внутреннего сгорания и сопряженного с ним рабочим валом роторного двигателя внешнего сгорания, в который в качестве рабочего тела поступают выхлопные газы из двигателя внутреннего сгорания. Роторный двигатель внешнего сгорания состоит из ротора, статора (3) и роликов-задвижек (5.1), (5.2). Ротор состоит из правых и левых дисков (2.5) и (2.6) с углублениями. В статоре (3) имеются сквозные вырезы, в которых находятся свободно вращающиеся, приводимые в движение вращением ротора ролики-задвижки (5.1), (5.2). Ролики-задвижки (5.1), (5.2) входят в процессе работы двигателя в углубления ротора. Ролики-задвижки (5.1), (5.2) образуют в углублениях ротора рабочие камеры двигателя, ограниченные поверхностями углубления ротора, поверхностями вошедших в углубления в роторе роликов-задвижек (5.1), (5.2) и поверхностями статора (3), обращенными к поверхностям ротора. Технический результат заключается в упрощении механизма и исключении трения скольжения между движущимися частями механизма роторного двигателя внешнего сгорания за счет возникновения трения качения. 2 з.п. ф-лы, 31 ил.

1. Комбинированный двигатель, состоящий из двигателя внутреннего сгорания и сопряженного с ним рабочим валом двигателя внешнего сгорания, в который в качестве рабочего тела поступают выхлопные газы из двигателя внутреннего сгорания, отличающийся тем, что роторный двигатель внешнего сгорания состоит из ротора, статора и роликов-задвижек, ротор состоит из правых и левых дисков с углублениями, в статоре имеются сквозные вырезы, в которых находятся свободно вращающиеся, приводимые в движение вращением ротора ролики-задвижки, входящие в процессе работы двигателя в углубления ротора и образующие в углублениях ротора рабочие камеры двигателя, ограниченные поверхностями углубления ротора, поверхностями вошедших в углубления в роторе роликов-задвижек и поверхностями статора, обращенными к поверхности ротора.

2. Комбинированный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в двигателе внешнего сгорания все рабочие поверхности составляющих его частей являются либо частями поверхностей концентрических сфер с центром в центральной точке двигателя, либо поверхностей конусов с вершиной в центральной точке двигателя, либо плоскостей, проходящих через ось двигателя, проходящую через центральную точку двигателя, и в процессе работы двигателя которые совершают вращательные движения относительно неподвижного статора и друг друга, вращаясь вокруг центральной точки двигателя.

3. Комбинированный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в двигателе внешнего сгорания между поверхностями статора и ротора, которыми они обращены друг к другу, расположены ролики, обеспечивающие вращение ротора относительно статора.