Роторно-поршневой двигатель и способ его работы Российский патент 2022 года по МПК F02B55/02 F01C1/00 F04C2/00 

Заявленные технические решения устройства и способа его работы относятся к двигателестроению, а именно к роторно-поршневым двигателям или к так называемым «циклоидным роторным двигателям», и могут быть использованы в качестве привода в самых различных областях техники в качестве двигателей внутреннего сгорания.

Прототипом заявленного устройства является роторно-поршневая машина по патенту на изобретение США: US 2988008 (А) от 13.06.1961, МПК F02B 53/00, F02B 75/02, «Rotary piston machines», автор Felix Wankel - [1], которая состоит из корпуса с одной рабочей полостью двигателя с одним ротором треугольной формы и внутренней двухлучевой эпитрохоидной поверхностью корпуса, а также крышки корпуса, механизма движения основного ротора, окон подвода к двигателю газообразной смеси и выпуска из него отходящих газов и системы зажигания.

Недостатком прототипа [1] является низкая его удельная мощность.

Также известны многочисленные варианты «Роторно-поршневых двигателей», например следующие аналоги:

- по патенту на изобретение США: US 4019471 (А) от 26.04.1977, МПК F02B 53/10, F02B 75/12, «Fuel injection type rotary piston engines» - [2];

- по патенту на изобретение США: US 4047856 (А) от 13.09.1977, МПК F01C 1/22, F01C 19/12, F01C 21/18, «Fuel injection type rotary piston engines» - [3];

- по авторскому свидетельству СССР: SU 1097815 A1 от 15.06.1984, МПК F02B 55/10, «Способ работы роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания» - [4];

- по патенту на изобретение РФ: RU 2546933 С1 от 10.04.2015, МПК F02B 53/10, «Способ работы роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания» - [5].

Вышеуказанные аналоги [2], [3], [4] и [5] также состоят из корпуса с одной рабочей полостью двигателя с одним ротором треугольной формы и внутренней двухлучевой эпитрохоидной поверхностью корпуса, а также крышки корпуса, механизма движения основного ротора, окон подвода к двигателю газообразной смеси и выпуска из него отходящих газов и системы зажигания. Их дополнительные технические решения усовершенствуют те или иные узлы роторно-поршневых двигателей и элементы, и им также как и прототипу [1] присущ такой же недостаток, как низкая удельная мощность.

«Циклоидный роторный двигатель (Варианты)» по патенту на изобретение РФ: RU 2609027 С2 от 30.01.2017, F01C 1/22, F01C 19/00, автор Школьник Александр С. (US) - [6], обобщает все конструктивные решения так, называемых двигателей Ванкеля (Wankel), по геометрии поршней (роторов) и корпусов, однако имеет тот же недостаток, а именно низкую удельную мощность.

Общим недостатком роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания по прототипу [1] и аналогам [2], [3], [4] и [5] является сравнительно небольшой рабочий объем полости двигателя (рабочей камеры двигателя) что в итоге приводит к недостаточной удельной мощности таких двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Недостатки прототипа и аналогов ставят задачу повышения удельной мощности роторно-поршневого двигателя, а именно его одной секции (ступени или одного цилиндра по аналогии с поршневым двигателем).

Сущность заявленного устройства: Роторно-поршневой двигатель состоит из корпуса с одной рабочей полостью двигателя - с основным ротором треугольной формы и внутренней двухлучевой эпитрохоидной поверхностью корпуса, а также крышки корпуса, механизма движения основного ротора, окон подвода к двигателю газообразной смеси и выпуска из него отходящих газов и системы зажигания. При этом заявленный роторно-поршневой двигатель конструктивно содержит дополнительные две рабочие полости двигателя в теле основного ротора, а именно в его внутренней объемной выточке с внутренней рабочей трехлучевой поверхностью гипотрохоидной формы. В основном роторе треугольной формы по центру его внутренней объемной выточки имеется дополнительный ротор треугольной формы, который по радиальным размерам в 2-3 раза меньше основного ротора и жестко с ним связан (пластиной), то есть является одной деталью (двойным ротором, образованным основным ротором, дополнительным ротором и их соединяющим элементом в виде плоской пластины). Между внешней поверхностью дополнительного ротора и внутренней поверхностью объемной трехлучевой выточки гипотрохоидной формы основного ротора находится неподвижная фигурная втулка с внешней и внутренней двухлучевыми эпитрохоидными поверхностями соответственно ответными: внутренней рабочей трехлучевой поверхностью основного ротора гипотрохоидной формы - образующие вторую рабочую полость двигателя, и внешней поверхности дополнительного ротора треугольной формы - образующие третью рабочую полость двигателя. Дополнительный рабочий ротор треугольной формы имеет осевое центральное отверстие, снабженное зубчатым венцом (механизма движения двойного ротора), и соединен с основным ротором с одной стороны торца корпуса перегородкой в виде пластины, а с другой торцевой стороны корпуса, на внутренней стороне крышки корпуса жестко закреплена неподвижная фигурная втулка. Окна подвода к двигателю газообразной смеси (состоящей например, из паров бензина в воздухе), установочные места как минимум для трех свечей зажигания (по одной для трех рабочих полостей двигателя, а для более эффективного процесса сгорания топлива в каждой из рабочих полостей могут быть установлены по несколько свечей зажигания), а также окна выпуска отходящих газов из двигателя выполнены в крышке корпуса двигателя.

Основной ротор, дополнительный ротор и перегородка (соединяющий элемент двух роторов) в виде пластины, соединяющая основной и дополнительный роторы (двойной ротор) могут быть изготовлены (например, фрезерованием или литьем с фрезерованием) из одной заготовки (из цельного материала, например, металла). Также основной и дополнительный роторы могут быть изготовлены (например, фрезерованием или литьем с фрезерованием) из разных заготовок (например, металла), и при этом они жестко соединены друг с другом с одного торца корпуса при помощи отдельной перегородки в виде пластины (с параллельными двумя поверхностями, замкнутой фигурной внешней радиальной поверхностью и внутренним осевым отверстием), внешние края которой повторяют обводы основного ротора, а по центру в пластине выполнено центральное отверстие, совпадающее с центральным отверстием дополнительного ротора (которое также может иметь зубчатый венец для механизма движения двойного ротора).

В заявленном устройстве механизм движения основного ротора не меняется по сравнению с прототипом и аналогами, так как дополнительный ротор с основным является одной движущейся в корпусе деталью - двойным ротором.

Сущность заявленного способа работы вышеописанного роторно-поршневого двигателя заключается в том, что организуют цикловую подачу газообразной (горючей) смеси через впускные окна в двигатель, ее сжатие и последующее сжигание с отводом полезной работы при ее расширении при помощи механизма движения ротора (двойного ротора) и выпуск отходящих газов через выпускные окна. При работе организуют цикловую подачу газообразной смеси в двигатель, раздельно к трем рабочим полостям двигателя: первой, второй и третьей, и производят (при вращении двойного ротора) одновременное воспламенение газообразной смеси в рабочих полостях первой и третьей, и после дальнейшего движения основного и дополнительных роторов (двойного ротора) производят воспламенение газообразной смеси во второй рабочей полости, далее организуют цикловой раздельный выпуск отходящих газов от трех рабочих полостей двигателя,

при этом осуществляют отбор механической энергии от сгораемой газообразной смеси:

- в первой рабочей полости при помощи движущейся внешней поверхности основного ротора (треугольной формы);

- во второй рабочей полости при помощи движущейся внутренней поверхности основного ротора (движущейся внутренней поверхностью объемной трехлучевой выточки гипотрохоидной формы основного ротора);

- в третьей рабочей полости при помощи при помощи движущейся внешней поверхности дополнительного ротора (треугольной формы).

Технический результат заключается в увеличении удельной мощности роторно-поршневого двигателя. Технический результат достигается тем, что в роторно-поршневом двигателе с одной рабочей полостью двигателя - с основным ротором треугольной формы и внутренней двухлучевой поверхностью корпуса эпитрохоидной формы, конструктивно созданы дополнительные две рабочие полости двигателя в теле основного рабочего ротора.

Другими словами, путем создания в одном и том же роторно-поршневом двигателе (в одних и тех же размерах его корпуса), а именно во внутренней объемной выточке (полости) его ротора (основного ротора) выполнены две дополнительные рабочие полости двигателя. При этом одна внутренняя объемная выточка (полость) между внутренней трехлучевой поверхностью гипотрохоидной формы и внешней поверхностью трехугольного дополнительного ротора разделена на две дополнительные рабочие полости двигателя при помощи неподвижной фигурной втулки (установленной на внутренней стороне крышки корпуса) с внешней и внутренней двухлучевыми эпитрохоидными поверхностями. При работе заявленный роторно-поршневой двигатель в одних и тех же размерах его корпуса работает использует не одну рабочую полость, а три рабочие полости. По аналогии с поршневым ДВС - в одном и том, же одноцилиндровом ДВС расположен трехцилиндровый ДВС. И это существенно повышает рабочий объем заявленного роторно-поршневого двигателя, и, следовательно, увеличивает его удельную мощность.

В то же время широко известны конструкции «Роторно-поршневых двигателей», конструктивно содержащие дополнительные вспомогательные выточки (полости) двигателя в теле ротора (основного), например следующие аналоги:

- по патенту на изобретение РФ: RU 2386046 С2 от 10.04.2010, F02B 55/02, F01C 1/00, F01C 17/06, «Роторно-поршневой трехтактный двигатель внутреннего» - [7];

- по патенту на изобретение РФ: RU 2418180 С1 от 10.05.2011, F02B 55/02, F01C 1/22, F01C 17/06, F16C3/18, «Роторный двигатель и эксцентриковый вал» - [8];

- по патенту на изобретение РФ: RU 2556838 С1 от 20.07.2015, F02B 55/02, F01C 1/22, F01C 17/06, «Двигатель внутреннего сгорания» - [9];

- по патенту на изобретение РФ: RU 2634457 С2 от 30.10.2017, F02B 55/02, F01C 1/22, F01C 17/06, «Двигатель внутреннего сгорания» -[10].

Однако известные по аналогам [7], [8], [9] и [10] дополнительные вспомогательные выточки (полости) двигателя в теле ротора (основного ротора) служат не для создания дополнительных рабочих полостей роторно-поршневых двигателей, предназначенных для преобразования энергии сгорания топливной смеси в механическую энергию а для размещения в этих выточках (полостях) различных механизмов движения ротора (основного).

Введенные в формулу изобретения устройства ограничительные признаки: «Роторно-поршневой двигатель состоящий из корпуса с одной рабочей полостью двигателя - с основным ротором треугольной формы и внутренней двухлучевой эпитрохоидной поверхностью корпуса, а также крышки корпуса, механизма движения основного ротора, окон подвода к двигателю газообразной смеси и выпуска из него отходящих газов и системы зажигания» кратко описывают общие конструктивные особенности прототипа [1], аналогов [2], [3], [4], [5] и заявленного устройства.

Отличительный признак устройства «он (роторно-поршневой двигатель) конструктивно содержит дополнительные две рабочие полости двигателя в теле основного ротора, а именно в его внутренней объемной выточке с внутренней рабочей трехлучевой поверхностью гипотрохоидной формы», существенно увеличивает рабочий объем роторно-поршневого двигателя дополнительными двумя рабочими полостями, что в итоге приводит увеличению удельной мощности ДВС.

Последующие отличительные признаки независимого пункта формулы устройства описывают конструктивные особенности устройства, позволяющие создать в нем дополнительные две рабочие полости двигателя в теле основного ротора.

Зависимые пункты (2 и 3) формулы устройства описывают конструктивные особенности двойного ротора, образованного основным, и дополнительным роторами треугольной формы.

Дополнительно отличительный признак независимого п. 1 устройства «в основном роторе треугольной формы по центру его внутренней объемной выточки имеется дополнительный ротор треугольной формы, который по радиальным размерам в 2-3 раз меньше основного ротора и жестко с ним связан - является одной деталью» показывает допустимые диапазоны радиальных размеров дополнительного ротора относительно радиальных размеров основного ротора, при этом разница по площади торцевой поверхности основного и дополнительного роторов будет составлять от 5 до 25 раз.

При радиальных размерах дополнительного ротора, которые меньше чем в 2 раза основного ротора происходит излишнее утоньшение фигурной втулки, что ведет к недостаточной ее прочности.

При радиальных размерах дополнительного ротора, которые больше чем в 3 раза основного ротора происходит переутоньшение вала и уменьшение размеров зубьев шестерни работающей в паре с зубчатым венцом.

Автор выбрал, рассчитал и изготовил действующий демонстрационный макет, в котором радиальные размеры дополнительного ротора в 2,5 раз меньше основного ротора. Описание данного демонстрационного макета представлено ниже в описании и в графических материалах.

Введенные в формулу изобретения способа ограничительные признаки: «Способ работы роторно-поршневого двигателя, по п. 1, заключающийся в организации цикловой подачи газообразной (горючей) смеси через впускные окна в двигатель, ее сжатие и последующее сжигание с отводом полезной работы при ее расширении при помощи механизма движения основного ротора и выпуск отходящих газов через выпускные окна» также кратко описывают общие принцип работы прототипа [1], аналогов [2], [3], [4], [5] и заявленного устройства.

Отличительный признак способа «организуют цикловую подачу газообразной смеси в двигатель, раздельно к трем рабочим полостям двигателя: первой, второй и третьей, и производят одновременное воспламенение газообразной смеси в первой и третьей рабочих полостях, и после дальнейшего движения основного и дополнительных роторов производят воспламенение газообразной смеси во второй рабочей полости, далее организуют цикловой раздельный выпуск отходящих газов от трех рабочих полостей двигателя» показывают (объясняют) организацию работы заявленного роторно-поршневого двигателя, а именного цикловую подачу газообразной смеси в двигатель порядок организации воспламенения газообразной смеси в рабочих полостях также организацию циклового выпуска отходящих газов от двигателя.

Сущность заявленных устройства и способа его работы объясняется приведенными графическими материалами, в том числе и фотографиями изготовленного макета роторно-поршневого двигателя, изготовленного для демонстрации заявленного устройства и способа его работы.

На фигуре 1 - графическая модель макета роторно-поршневого двигателя.

На фигуре 2 - фотография макета роторно-поршневого двигателя с прозрачной (из оргстекла) крышкой корпуса - вид спереди.

На фигуре 3 - фотография макета роторно-поршневого двигателя - вид сзади и сбоку.

На фигуре 4 - чертеж торца заявленного двигателя - в поперечном разрезе неподвижной втулки (по оси вращения двойного ротора).

На фигуре 5 - вид (чертеж) крышки двигателя с внешней стороны (при установке ее на двигатель).

На фигуре 6 - вид (чертеж) крышки двигателя с внутренней стороны.

На фигуре 7 - поперечный разрез крышки двигателя с неподвижной фигурной втулкой где: а) крышка двигателя и неподвижная фигурная втулка выполнены раздельно и неподвижно соединены, б) крышка двигателя и неподвижная фигурная втулка представляют собой одну деталь.

На фигуре 8 - чертеж двойного поршня двигателя, состоящий из основной, дополнительного роторов треугольной формы и соединяющей их пластины (вид спереди).

На фигуре 9 - поперечный разрез двойного поршня двигателя, где: а) двойной поршень двигателя состоит выполненных раздельно основного, дополнительного роторов треугольной формы и неподвижно соединяющей их пластины, б) двойной поршень двигателя представляет собой одну деталь.

На фигурах 10а), 10б), 10в), и 10г) - схематично показано последовательное движение по часовой стрелке двойного ротора в корпусе двигателя с изменением объема его трех рабочих полостей.

На фигуре 11 - рабочий контур гипотрохоидной формы.

На фигуре 12 - рабочий контур треугольной формы.

На фигуре 13 - рабочий контур эпитрохоидной формы.

На фигуре 14 - комбинация рабочих контуров треугольной, эпитрохоидной и гипотрохоидной формы.

На фигурах фиг. 1 - фиг. 14 позициями представлены следующие элементы конструкции заявленного роторно-поршневого двигателя:

I - первая основная рабочая полость двигателя; II и III - дополнительные соответственно вторая и третья рабочие полости двигателя (все три полости (I), (II) и (III) на графических материалах обозначены кружком - «о»); 1 - корпус роторно-поршневого двигателя с внутренней двухлучевой эпитрохоидной поверхностью для основного ротора, образующая первую основную рабочую полость (I) двигателя в корпусе (1); 2 - основной ротор треугольной формы; 3 - крышка корпуса (1) (передней, лицевая) - в графических материалах для лучшего восприятия заявленного технического решения выполнена из прозрачного материала; 4 - дополнительная крышка (задняя, тыльная) корпуса (1); 5 - дополнительный ротор треугольной формы; 6 - плоская пластина, соединяющая основной ротор (2) и дополнительный ротор (5) в одну подвижную деталь - двойной ротор; 7 - неподвижная фигурная втулка, разделяющая объем внутренней объемной выточки основного ротора (2) между его внутренней рабочей трехлучевой поверхностью гипотрохоидной формы и дополнительным ротором (5) треугольной формы на дополнительные две рабочие полости (II) и (III) двигателя в теле основного ротора (2); 8 - механизм движения двойного ротора; 9 - коллектор подвода газообразной смеси к рабочем полостям (I), (II) и (III) двигателя; 10 - коллектор отвода отработавших газов от рабочих полостей (I), (II) и (III) двигателя; 11 - Свеча (электрического зажигания сжатой газообразной смеси) первой (I) рабочей полости двигателя; 12 - Свеча второй (II) рабочей полости двигателя; 13 - свеча третьей (III) рабочей полости двигателя; 14, 15 и 16 - резьбовые отверстия соответственно для свечей (11), (12), (13) рабочих полостей (I), (II) и (III) двигателя; 17, 18 и 19 - окна (впускные) подвода к двигателю газообразной (горючей) смеси соответственно к рабочим полостям (I), (II) и (III) двигателя; 20, 21 и 22 - окна выпуска отходящих газов соответственно от рабочих полостей (I), (II) и (III) двигателя.

Заявленное устройство роторно-поршневого двигателя состоит из корпуса (1) с внутренней двухлучевой эпитрохоидной поверхностью. В корпусе (1) образована первая рабочая полость (I) двигателя - с основным ротором (2) треугольной формы и крышкой (3) корпуса (с лицевой стороны корпуса (1)). С тыльной стороны корпус (1) может быть выполнен с плоской стенкой или же содержать дополнительную крышку (4), что более технологично, и таким образом выполнен макет заявленного роторно-поршневого двигателя. В теле корпуса (1) выполнены продолговатые каналы для системы охлаждения, а также резьбовые отверстия в крепежными элементами для монтажа крышек (цифровыми позициями не обозначены). Основной ротор (2) содержит внутреннюю объемную выточку с внутренней рабочей трехлучевой поверхностью гипотрохоидной формы, в центре которой находится дополнительный ротор (5), который представляет собой уменьшенную в 2-3 раза симметричную копию основного ротора (2).

Основной ротор (2) и дополнительный ротор (5) неподвижно (жестко) связаны между собой со стороны дополнительной крышки (4) плоской пластиной (6), и при этом основной ротор (2), дополнительный ротор (5) и плоская пластина (6) являются одной подвижной деталью - двойным ротором, который может быть изготовлен из трех деталей (2), (5), (6), или же может быть изготовлен из одной цельной заготовки (материала), например литьем, и/или на токарно-фрезерных станках. С внутренней стороны на крышке (3) неподвижно (жестко) закреплена неподвижная фигурная втулка (7) с внешней и внутренней двухлучевыми эпитрохоидными поверхностями, и с плоской торцевой свободной поверхностью, которая в собранном виде (заявленного двигателя) образует минимальный зазор с плоской пластиной (6) двойного ротора. При таком конструктивном исполнении в заявленном роторно-поршневом двигателе содержаться дополнительные две рабочие полости (II) и (III) двигателя в теле основного ротора (2), а именно в его внутренней объемной выточке с внутренней рабочей трехлучевой поверхностью гипотрохоидной формы. Внешняя и внутренняя двухлучевые эпитрохоидные поверхности неподвижной фигурной втулки (7) выполнены ответными соответственно: внутренней рабочей трехлучевой поверхности основного ротора гипотрохоидной формы - образующие вторую рабочую полость (II) двигателя, и внешней поверхности дополнительного ротора треугольной формы - образующие третью рабочую полость (III) двигателя. В двойном роторе, а именно в его дополнительном роторе (5) имеется осевое центральное отверстие, снабженное зубчатым венцом механизма (8) движения двойного ротора. Конструктивная детализация механизма (8) может быть различной, широко известна и в настоящей заявке не приведена. Крышки корпуса (3) - лицевая и (4) - дополнительная (тыльная) имеют плоские внутренние поверхности, которые обращены к двойному ротору и в собранном виде (заявленного двигателя) образуют минимальный зазор с торцевыми поверхностями двойного ротора. Крышка корпуса (3) на графических материалах имеет центральное осевое отверстие (цифровой позицией не обозначено), которое служит для опоры вала механизма (8) движения двойного ротора демонстрационного макета роторно-поршневого двигателя. В реальном роторно-поршневом двигателе данное центральное осевое отверстие будет содержать подшипник и снаружи герметизировано. Толщину плоской пластины (6) двойного ротора, состоящего из основного ротора (2) и дополнительного ротора (5) выбирают из значений прочностных характеристик материала двойного ротора, а также от его размеров и характеристик условий движения двойного ротора в самом двигателе. Чем тоньше плоская пластина (6), тем больше удельные объемы двух дополнительных рабочих полостей (II) и (III) двигателя в теле основного ротора (2), и, следовательно, выше эффективность работы заявленного роторно-поршневого двигателя. В конструкции заявленного устройства имеются расположенные на передней крышке (3) корпуса (1) три впускные окна подвода газообразной смеси ко всем рабочим полостям (I, II и III) двигателя, а также три выпускные окна отработанных газов соответственно от рабочих полостей (I, II и III) двигателя. К впускным окнам подсоединен коллектор (9) подвода газообразной смеси к рабочим полостям (I, II и III) двигателя, а к выпускным окнам подсоединен коллектор (10) отвода отработавших газов соответственно от рабочих полостей (I, II и III) двигателя. На фигурах 1, 2 и 3 свеча (11) электрического зажигания сжатой газообразной смеси (далее «свеча») в первой (I) рабочей полости расположена в резьбовом отверстии на радиальной поверхности корпуса (I), а свечи (12) и (13) соответственно рабочих полостей II и III двигателя расположены в резьбовых отверстиях передней крышке (3) корпуса (1).

В формуле изобретения настоящего изобретения указано «… установочные места как минимум для трех свечей зажигания, … выполнены в крышке корпуса двигателя», что показано на фигурах 5 и 6 графических материалов, где на крышке (3) корпуса (1) двигателя находятся резьбовые отверстия (14), (15), (16) соответственно для сечей (II), (12), (13) рабочих полостей (I, II и III) двигателя. При этом, как вариант устройства, на фигурах 1, 2 и 3 свеча (11) зажигания первой (I) рабочей полости двигателя, находится на радиальной поверхности корпуса (1) макета роторно-поршневого двигателя. Также и окна подвода к первой (I) основной рабочей полости двигателя газообразной смеси и выпуска из него отходящих газов и системы зажигания, могут быть в конструктивных вариантах роторно-поршневого двигателя установлены на радиальной поверхности корпуса (1), что никак не влияет на рабочие процессы заявленного двигателя. Представленный на фигурах 1, 2 и 3 макет роторно-поршневого двигателя установлен на подставке (цифровой позицией не пронумерована), в которой находятся электрические схемы питания макета и его подсветки.

Окна подвода к двигателю газообразной (горючей) смеси (17), (18), (19), а также окна выпуска отходящих газов (20), (21), (22) соответственно к рабочим полостям (I, II и III) двигателя выполнены в крышке (3) корпуса (1) двигателя. К окнам (впускным) (17), (18), (19) подсоединен коллектор (9) подвода газообразной смеси к рабочим полостям (I, II и III) двигателя, а к окнам выпуска (20), (21), (22) подсоединен коллектор (10) отвода отработавших газов от рабочих полостей (I, II и III) двигателя.

Конструктивные решения роторно-поршневых двигателей и их способы работы широко известны, например, по книге Ротопоршневые двигатели. В.С. Бениович, Г.Д. Апазиди, А.М. Бойко, М., «Машиностроение», 1968, 151 с. - [11]. В книге также даны описание разнообразных конструкций и некоторые результаты испытаний роторно-поршневых двигателей (схемы Ванкеля), а также излагаются основы геометрического, кинематического и динамического расчета двигателей этого типа и приводятся рекомендации по выбору их параметров. Однако конструктивных решений, аналогичных заявленным техническим решениям в аналоге [11] нет.

Работа роторно-поршневых двигателей заключается в том, что организуют цикловую подачу газообразной (горючей) смеси через впускные окна в корпус двигателя. Впускные окна по ходу движения двойного ротора перекрываются и подача рабочей смеси прекращается. Рабочий объем постепенно уменьшается, при этом поступившая в него газообразная смесь сжимается. В конце процесса сжатия срабатывает свеча (свечи) зажигания, происходит воспламенение сжатой рабочей смеси с последующим расширением отработанных газов и отводом полезной работы. Далее рабочий объем постепенно увеличиваются и в конце процесса горения - расширения открываются выпускные окна. Рабочий объем постепенно уменьшается и происходит удаление отработанных газов. Далее рабочий цикл повторяется.

Способ работы заявленного роторно-поршневого двигателя заключается в том, что организуют цикловую подачу газообразной (горючей) смеси через коллектор (9) и впускные окна (17), (18), (19) в корпус (1) двигателя. Впускные окна (17), (18), (19) по ходу движения двойного ротора перекрываются и подача рабочих смесей прекращается. Рабочие объемы (I), (II) и (III) постепенно уменьшаются, при этом поступившая в них газообразная смесь сжимается. В конце процессов сжатия срабатывают свечи зажигания (11), (12), (13), происходит воспламенение газообразных смесей с последующим горением и расширением. Газообразная смесь в рабочих объемах (I), (II) и (III) сгорает с отводом полезной работы при ее расширении при помощи механизма движения (8) двойного ротора и производят выпуск отходящих газов через выпускные окна (20), (21), (22) и выпускной коллектор (10). Дополнительно при работе заявленного роторно-поршневого двигателя организуют цикловую подачу газообразной смси в двигатель, раздельно к трем рабочим полостям двигателя: первой (I), второй (II) и третьей (III), находящихся в корпусе (1) и производят при вращении двойного ротора одновременное воспламенение газообразной смеси в рабочих полостях первой (I) и третьей (III), и после дальнейшего движения основного (2) и дополнительных роторов (5) - (двойного ротора) производят воспламенение газообразной смеси во второй (II) рабочей полости, далее организуют цикловой раздельный выпуск отходящих газов от трех рабочих полостей двигателя,

при этом осуществляют отбор механической энергии от сгораемой газообразной смеси:

- в первой (I) рабочей полости при помощи движущейся внешней поверхности основного ротора (2) треугольной формы;

- во второй (II) рабочей полости при помощи движущейся внутренней поверхности основного ротора (2) - движущейся его внутренней поверхностью объемной трехлучевой выточки гипотрохоидной формы (основного ротора (20));

- в третьей (III) рабочей полости при помощи при помощи движущейся внешней поверхности дополнительного ротора (5) треугольной формы.

Далее рабочие циклы заявленного роторно-поршневого двигателя повторяются.

На фигурах 10а), 10б), 10в), и 10г) вершины основного ротора (2) треугольной формы обозначены A₁, B₁ и C₁, а вершины дополнительного ротора (5) треугольной формы обозначены соответственно А₂, В₂ и C₂, что позволяет повысить восприятие последовательного движения (по часовой стрелке) двойного ротора в корпусе двигателя и процессы изменения объема его трех рабочих полостей.

Рабочий контур гипотрохоидной формы внутренней объемной выточке основного ротор (2) треугольной формы представлен на фигуре 11. Рабочий контур гипотрохоидной формы содержит: А, В, С - вершины рабочего контура; О - центр малой окружности; d - центр большой окружности; r - радиус малой окружности; R - радиус большой окружности; (х, у) - неподвижная система координат; (х₁, y₁) - плавающая система координат.

Координаты точек рабочего контура гипотрохоидной формы по оси X определяются по формуле:

где: с - параметр формы; n - число вершин, n=4; Ф - угол построения координат, град; R - радиус большой окружности.

Координаты точек рабочего контура гипотрохоидной формы по оси Y определяются по формуле:

Двойной ротор состоит из основного ротора треугольной формы с вершинами A₁, В₁, C₁ и дополнительного ротора треугольной формы с вершинами А₂, В₂, С₂.

Рабочий контур треугольной формы представлен на фигуре 12. Рабочий контур треугольной формы содержит: А, В, С - вершины рабочего контура, O₁ - центр большой окружности; R - радиус большой окружности; O₁A - производящий радиус; Ф - угол построения координат; (х, у) - неподвижная система координат.

Координаты точек рабочего контура треугольной формы по оси X определяются по формуле:

Координаты точек рабочего контура треугольной формы по оси Y определяются по формуле:

где: с - параметр формы; n - число вершин, (n=3); Ф - угол построения координат, град; R - радиус большой окружности.

В объемной внутренней выточке основного ротор (2) между рабочим контуром гипотрохоидной формы и дополнительным ротором (5) треугольной формы находится неподвижная фигурная втулка (7), образующая внутренний рабочий контур эпитрохоидной формы.

Рабочий контур эпитрохоидной формы представлен на фигуре 13. Рабочий контур эпитрохоидной формы содержит: А - вершина рабочего контура; О - центр малой окружности; O₁ - центр большой окружности; r - радиус малой окружности; R - радиус большой окружности; (х, у) - неподвижная система координат; (х₁, у₁) - плавающая система координат; OO₁ - эксцентриситет.

Координаты точек рабочего контура эпитрохоидной формы по оси X и Y определяются по формулам (1) и (2), где: n - число вершин, n=3.

Комбинация рабочих контуров треугольной, эпитрохоидной и гипотрохоидной формы образует три независимых рабочих секции, в которых размещаются по три рабочие полости (I), (II) и (III).

Комбинация рабочих контуров треугольной, эпитрохоидной и гипотрохоидной формы представлена на фигуре 14. Комбинация рабочих контуров треугольной, эпитрохоидной и гипотрохоидной формы содержит: А, В, С - вершины рабочего контура; О - центр малой окружности; O₁ - центр большой окружности; r - радиус малой окружности; R - радиус большой окружности; (х, у) - неподвижная система координат; (х₁, у₁) - плавающая система координат; Ф - угол построения координат, град.

Удельная мощность N_e заявленного роторно-поршневого двигателя определяется по формуле:

где ε - степень сжатия; η_н - коэффициент наполнения рабочей камеры; ρ_в - плотность воздуха; α - коэффициент избытка воздуха; - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива; Q_H - низшая теплота сгорания топлива; η_е - эффективный коэффициент полезного действия; i - число блоков; m - тактность; n - частота вращения; V_n - рабочий объем.

Рабочий объем V_n роторно-поршневого двигателя определяется по формуле:

где: V₁ - объем рабочей полости (I) двигателя, см³; V₂ - объем рабочей полости (II) двигателя, см³; V₃ - объем рабочей полости (III) двигателя, см³. Пример. Рабочий объем V_n роторно-поршневого двигателя составляет:

V_n=0,00290+0,000437+0,000422=0,003759, см³

Удельная мощность роторно-поршневого двигателя N_e³ составляет:

Полезный прирост удельной мощности Δ роторно-поршневого двигателя определяется по формуле:

где N_e¹ - удельная мощность роторно-поршневого двигателя с одной рабочей секцией.

Полезный прирост удельной мощности Δ роторно-поршневого двигателя составляет:

Заявленный роторно-поршневой двигатель позволяет увеличить удельную мощность на 30% путем комбинации рабочих контуров треугольной, эпитрохоидной и гипотрохоидной формы.

Таким образом, заявленные роторно-поршневой двигатель и способ его работы в совокупности ограничительных и отличительных признаков пунктов формулы изобретения, с увеличенной удельной мощностью, достигаемой путем конструктивного решения, а именно использованием двойного ротора являются новыми для роторно-поршневых двигателей, и, следовательно, соответствует критерию «новизна».

Совокупность признаков пунктов формулы изобретения заявленных технических решений, в частности выполнение в одном корпусе, а именно в его роторе треугольной формы внутренней объемной выточки для создания двух дополнительных рабочих полостей не известны ранее и данные технические решения не следуют из общеизвестных правил конструирования роторно-поршневых двигателей (Ванкеля), что доказывает соответствие критерию «изобретательский уровень».

Конструктивная реализация заявляемых технических решений с приведенной в материалах заявки совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».

Литература

1. Патент США: US 2988008 (А) от 13.06.1961, МПК F02B 53/00, F02B 75/02, «Rotary piston machines)), автор Felix Wankel - прототип.

2. Патент США: US 4019471 (А) от 26.04.1977, МПК F02B 53/10, F02B 75/12, «Fuel injection type rotary piston engines)).

3. Патент США: US 4047856 (А) от 13.09.1977, МПК F01C 1/22, F01C 19/12, F01C 21/18, «Fuel injection type rotary piston engines)).

4. Авторское свидетельство СССР: SU 1097815 A1 от 15.06.1984, МПК F02B 55/10, «Способ работы роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания».

5. Патент РФ: RU 2546933 С1 от 10.04.2015, МПК F02B 53/10, «Способ работы роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания».

6. Патент РФ: RU 2609027 С2 от 30.01.2017, F01C 1/22, F01C19/00, «Циклоидный роторный двигатель (Варианты)», автор Школьник Александр С. (US).

7. Патент РФ: RU 2386046 С2 от 10.04.2010, F02B 55/02, F01C 1/00, F01C 17/06, «Роторно-поршневой трехтактный двигатель внутреннего».

8. Патент РФ: RU 2418180 С1 от 10.05.2011, F02B 55/02, F01C1/22, F01C 17/06, F16C 3/18, «Роторный двигатель и эксцентриковый вал».

9. Патент РФ: RU 2556838 С1 от 20.07.2015, F02B 55/02, F01C 1/22, F01C 17/06, «Двигатель внутреннего сгорания».

10. Патент РФ: RU 2634457 С2 от 30.10.2017, F02B 55/02, F01C 1/22, F01C 17/06, «Двигатель внутреннего сгорания».

11. Книга: Ротопоршневые двигатели. B.C. Бениович, Г.Д. Апазиди, A.M. Бойко, М., «Машиностроение», 1968, 151 с.

Заявленное изобретение относится к двигателестроению. Роторно-поршневой двигатель состоит из корпуса (1) с одной рабочей полостью (I) двигателя - с основным ротором (2) треугольной формы и внутренней двухлучевой эпитрохоидной поверхностью корпуса (1), а также корпуса (3), механизма движения основного ротора, окон подвода к двигателю газообразной смеси и выпуска из него отходящих газов и системы зажигания. Двигатель содержит дополнительные две рабочие полости (II, III) двигателя в теле основного ротора (2), а именно в его внутренней объемной выточке с внутренней рабочей трехлучевой поверхностью гипотрохоидной формы. В основном роторе (2) треугольной формы по центру его внутренней объемной выточки имеется дополнительный ротор (5) треугольной формы. Раскрыты выполнение дополнительного ротора (5), фигурной втулки, расположение окон подвода смеси и выпуска отходящих газов, а также как минимум трех свечей зажигания. Также раскрыт способ работы роторно-поршневого двигателя. Технический результат заключается в увеличении удельной мощности роторно-поршневого двигателя. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Роторно-поршневой двигатель, состоящий из корпуса с одной рабочей полостью двигателя - с основным ротором треугольной формы и внутренней двухлучевой эпитрохоидной поверхностью корпуса, а также крышки корпуса, механизма движения основного ротора, окон подвода к двигателю газообразной смеси и выпуска из него отходящих газов и системы зажигания, отличающийся тем, что

он конструктивно содержит дополнительные две рабочие полости двигателя в теле основного ротора, а именно в его внутренней объемной выточке с внутренней рабочей трехлучевой поверхностью гипотрохоидной формы,

в основном роторе треугольной формы по центру его внутренней объемной выточки имеется дополнительный ротор треугольной формы, который по радиальным размерам в 2-3 раза меньше основного ротора и жестко с ним связан - является одной деталью,

а между внешней поверхностью дополнительного ротора и внутренней поверхностью объемной трехлучевой выточки гипотрохоидной формы основного ротора находится неподвижная фигурная втулка с внешней и внутренней двухлучевыми эпитрохоидными поверхностями соответственно ответными:

внутренней рабочей трехлучевой поверхностью основного ротора гипотрохоидной формы - образующие вторую рабочую полость двигателя,

и внешней поверхностью дополнительного ротора треугольной формы - образующие третью рабочую полость двигателя,

дополнительный рабочий ротор треугольной формы имеет осевое центральное отверстие, снабженное зубчатым венцом, и соединен с основным ротором с одной стороны торца корпуса перегородкой в виде пластины, а с другой торцевой стороны корпуса, на внутренней стороне крышки корпуса, жестко закреплена неподвижная фигурная втулка,

при этом окна подвода к двигателю газообразной смеси, установочные места как минимум для трех свечей зажигания, а также окна выпуска отходящих газов из двигателя выполнены в крышке корпуса двигателя.

2. Роторно-поршневой двигатель по п. 1, отличающийся тем, что основной ротор, дополнительный ротор и перегородка в виде пластины, соединяющая основной и дополнительный роторы, изготовлены из одной заготовки.

3. Роторно-поршневой двигатель по п. 1, отличающийся тем, что основной и дополнительный роторы изготовлены и при этом они жестко соединены друг с другом с одного торца корпуса при помощи отдельной перегородки в виде пластины, внешние края которой повторяют обводы основного ротора, а по центру в пластине выполнено центральное отверстие, совпадающее с центральным отверстием дополнительного ротора.

4. Способ работы роторно-поршневого двигателя по п. 1, заключающийся в организации цикловой подачи газообразной смеси через впускные окна в двигатель, ее сжатия и последующего сжигания с отводом полезной работы при ее расширении при помощи механизма движения основного ротора и выпуска отходящих газов через выпускные окна, отличающийся тем, что

организуют цикловую подачу газообразной смеси в двигатель раздельно к трем рабочим полостям двигателя: первой, второй и третьей, и производят одновременное воспламенение газообразной смеси в первой и третьей рабочих полостях, и после дальнейшего движения основного и дополнительных роторов производят воспламенение газообразной смеси во второй рабочей полости, далее организуют цикловой раздельный выпуск отходящих газов от трех рабочих полостей двигателя, при этом осуществляют отбор механической энергии от сгораемой газообразной смеси;

- в первой рабочей полости при помощи движущейся внешней поверхности основного ротора треугольной формы,

- во второй рабочей полости при помощи движущейся внутренней поверхности основного ротора - движущейся внутренней поверхности объемной трехлучевой выточки гипотрохоидной формы основного ротора,

- в третьей рабочей полости при помощи движущейся внешней поверхности дополнительного ротора треугольной формы.