Модульный роторный ДВС Российский патент 2025 года по МПК F01C1/344 F02B53/08 

Заявляемое изобретение относится к тепловым двигателям роторного типа и предназначено для использования в качестве главных и вспомогательных (стационарных и подвижных) силовых установок, в том числе и для наземных и воздушных транспортных средств. Наиболее близким к данному изобретению является тепловой двигатель по патенту РФ №2814331 от 14.12.2022 г. Данный тепловой роторный двигатель внешнего сгорания, составленный из модулей на базе роторной машины и машин других типов, с подобранными параметрами для определенного модуля, где определенный модуль реализует соответствующий такт заданного термодинамического цикла работы двигателя. И последовательно соединенного соответственно, элементами впускного-выпускного тракта. А также модули имеют либо одинаковую, либо разную частоту вращения, и располагаются либо на одном валу, либо соосно, или произвольно в пространстве с любым видом механической связи. При этом роторная машина определенного модуля содержит неподвижный корпус, с выполненными в нем канавками, жестко посаженный на вал ротор, и выдвижное устройство (ВУ). Причем канавки с ободом ротора образуют полости, которые имеют впускные и выпускные окна. Ротор выполнен в виде колеса с ободом, имеющим кольцеобразный выступ, соответствующий профилю канавок корпуса,, и в теле ротора, в изолированных от внутриободного пространства каналах-направляющих, расположены лопатки (прямые, изогнутые). Причем прямые лопатки проходят по диагональной линии ротора, и если их две - то расположены перпендикулярно друг другу, и выдвигаются с двух противоположных сторон ротора в функциональную полость. Лопатки имеют шарнирное соединение с элементами выдвижного устройства, которое построено на базе зубчато-кривошипного, либо на базе зубчато-кривошипно-шатунного механизмов, и обеспечивает, согласованное с углом поворота ротора, выдвигание и задвигание лопаток. Данный двигатель не предназначен к реализации циклов (Отто, Дизеля, Аткинсона и т.д.) для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Хотя некоторые особенности конструкции позволяют повысить эффективность рабочих процессов в сравнении с поршневыми и роторными (Ванкель). Причем простыми способами и меньшими затратами.

Заявляемый двигатель, как и известный, составленный из модулей на базе роторной машины и машин других типов, с подобранными параметрами для определенного модуля, где определенный модуль реализует соответствующий такт заданного термодинамического цикла работы двигателя, и последовательно соединенного соответственно, элементами впускного-выпускного тракта, а также модули имеют либо одинаковую, либо разную частоту вращения, и располагаются либо на одном валу, либо соосно, или произвольно в пространстве с любым видом механической связи, при этом роторная машина определенного модуля содержит неподвижный корпус, с выполненными в нем канавками, жестко посаженный на вал ротор, и выдвижное устройство (ВУ), причем канавки с ободом ротора образуют полости, которые имеют впускные и выпускные (отверстия) окна, а ротор выполнен в виде колеса с ободом, имеющим кольцеобразный выступ, соответствующий профилю канавок корпуса, в теле ротора, в изолированных от внутриободного пространства каналах-направляющих, расположены лопатки (прямые, изогнутые), причем прямые лопатки проходят по диагональной линии ротора, и если их две, то расположены перпендикулярно друг другу, и выдвигаются с двух противоположных сторон ротора в функциональную полость, лопатки имеют шарнирное соединение с элементами выдвижного устройства, которое построено на базе зубчато-кривошипного, либо на базе зубчато-кривошипно-шатунного механизмов, и обеспечивает, согласованное с углом поворота ротора, выдвижение и задвигание лопаток,

Технической проблемой, решаемой данным изобретением, является адаптация двигателя прототипа циклам ДВС, путем соответственного изменения некоторых его элементов, с дополнением соответствующих систем, присущим данным циклам. Применение зубчато-кривошипного и зубчато кривошипно-шатунных механизмов и другие особенности позволяют иметь больший выстой, а также есть возможность использовать обе противоположные стороны одной прямой лопатки и способность иметь эффективную камеру сгорания (КС). Что и позволяет более полно использовать возможности повышения эффективности рабочего процесса.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности в использовании энергии газов и, соответственно, КПД, увеличение удельной мощности, меньший расход топлива, уменьшение габаритов двигателя, упрощение, повышение надежности, удобство (доступность) в обслуживании и ремонте.

Данный технический результат достигается тем, что двигатель состоит из одной или нескольких секций, каждая из которых содержит пару разнофункциональных модулей - компрессора и преобразователя, которые реализуют строго определенные циклы ДВС, при этом имея для этого соответствующие системы. Корпус преобразователя (на базе роторной машины) имеет отверстие для ввода рабочего тела в камеру сгорания, либо от ресивера, либо непосредственно от компрессора (на базе машин различного типа), и которое перекрыто клапаном. Камера сгорания представляет из себя углубление на ободе ротора сферической формы (усеченная сфера) и отстоит от выхода канала лопаток. Элементы зажигания или впрыска топлива расположены в определенном месте корпуса.

Выполнение двигателя, который реализует циклы ДВС, используя в модуле расширения роторную машину с выдвигающимися лопатками и с ВУ, содержащего либо зубчато-кривошипный механизм, позволяющий иметь максимально большой вылет лопатки, с кратно большей опорной частью при минимальном диаметре ротора, и с возможностью использовать обе противоположные стороны одной прямой лопатки, которая способна выдвигаться в разные функциональные полости, это позволяет повысить частоту рабочего хода, что ведет к улучшению удельных характеристик и повышает надежность. Либо ВУ содержит зубчато-кривошипно-шатунных механизмов для изогнутых лопаток, с постоянным радиусом кривизны больше радиуса ротора, позволяет увеличит опорную часть лопатки и что позволит добиться также относительно большего вылета лопатки, при меньшем диаметре ротора и при этом иметь несколько функциональных полостей, что приводит к повышению удельной мощности, снижению массы и габаритов, увеличению ресурса и надежности двигателя. Значительный выстой позволяет осуществить наполнение КС, а также осуществить горение в неизменном объеме, что значительно повышает эффективность рабочего процесса, а, в совокупности с другими особенностями двигателя, ведет к повышению КПД и упрощению конструкции.

Выполнение двигателя из разнофункциональных модулей, составляющих секцию, когда один из них (компрессор) осуществляет сжатие рабочего тела (ТВС или воздух), а другой (преобразователь) осуществляет непосредственное преобразование тепловой энергии в механическую, позволит выполнять определенные такты в специализированном модуле более эффективно, что повысит общий КПД. Также это ведет к уменьшению габаритов и массы двигателя, так как компрессор не надо делать с тем же запасом прочности, что и преобразователь. А также, если один из модулей (компрессор) будет иметь большую частоту вращения, это позволить еще более уменьшить массу и габариты модуля (а значит и двигателя) при той же производительности.

Выполнение в корпусе преобразователя зоны впуска и воспламенения, с отверстием прикрываемым клапаном или лопастью, позволяет обеспечить должное наполнение камеры сгорания в соответствующий момент ТВС или воздухом, как из ресивера, так и непосредственно от компрессора, и при этом в холодной части зоны двигателя. А также позволяет расположить элементы зажигания или впрыска топлива (в зависимости от цикла). А ресивер также позволит осуществить удобное размещение модулей. Появляется возможность иметь упрощенный выпуск (без клапанов) отработанного рабочего тела (РТ). Это упрощает газораспределительную систему двигателя, повышая его надежность.

Выполнение камеры сгорания, отстоящей от выхода канала лопатки, как углубление в ободе ротора сферической формы (усеченная сфера), позволяет иметь камеру сгорания с малой площадью, что позволяет увеличить степень сжатия и иметь способность выдержать значительное увеличение скорости нарастания давления, а также позволяет осуществить продолженное расширение. Это приводит к улучшению процесса горения сверхбедного ТВС и обеспечить рабочий процесс по циклу Аткинсона. Что, также ведет к значительному повышению КПД и уменьшает расход топлива.

Выполнение ВУ для каждой лопатки, которая содержит планетарно - шестеренчато-кривошипный механизм, позволяет одному ротору иметь несколько функциональных полостей, что повышает количество рабочих ходов на оборот, уменьшая массу и габариты, ведет к увеличению удельной эффективности.

Таким образом, вышеперечисленная совокупность признаков изобретения, позволяет обеспечить новый технический результат - упрощение, повышение надежности, удельных характеристик, эффективности использования энергии газов и, соответственно, повышение КПД двигателя.

Изобретение поясняется с помощью чертежей, где: на фиг. 1 представлен общий вид двигателя (секции) в изометрии, составленного, из пары модулей с ресивером (ВУ преобразователя-зубчато-кривошипный); на фиг. 2 - схема двигателя без ресивера (ВУ зубчато-кривошипный); на фиг. 3 - схема двигателя с роторной машиной преобразователя (ВУ-зубчато-кривошипно-шатунный), с двумя прямыми лопатками с двумя функциональными полостями; на фиг. 4 - схема двигателя с роторной машиной преобразователя, с двумя изогнутыми лопатками (две функциональные полости); на фиг. 5 - схема двигателя, с роторной машиной преобразователя, с тремя изогнутыми лопатками (две функциональные полости); на фиг. 6 - фрагмент роторной машины с ВУ для двух перпендикулярных прямых лопаток (верху - ВУ с планетарным-зубчато-кривошипным, внизу - ВУ с зубчато-кривршипным); на фиг. 7 - схема преобразователя с роторной машиной с двумя перпендикулярными лопатками, и тремя функциональными полостями (ВУ - планетарно шестеренчато-кривошипный).

Роторный двигатель внутреннего сгорания состоит из одной, или нескольких пар (секций) разнофункциональных модулей, где каждый модуль пары выполняет различные функции (такты) определенного цикла ДВС. Один из пары (фиг.1), модуль расширения - преобразователь 1 осуществляет непосредственное преобразование тепловой энергии горячих газов (рабочее тело). Другой из пары, модуль сжатия - компрессор 2 осуществляет сжатие рабочего тела (ТВС, воздуха) с давлением, соответствующим определенной степени сжатия. Модули пары могут иметь как одинаковую, так и разную частоту вращения. Пара модулей образует секцию. Двигатель составленный из нескольких секций, может быть на одном валу, соосным или произвольным расположением секций в пространстве, с любым видом механической связи (согласующий вал, зубчатая цепная и ременной передача) между ними. Двигатель может либо иметь ресивер 3, накапливающий сжатое РТ от компрессора, и подающий РТ в преобразователь, причем как для каждой секции отдельно, так и общий для нескольких секций. Либо компрессор, напрямую (непосредственно) отдающий сжатое РТ (фиг. 2) соответствующим элементам преобразователя.

Модуль расширения (преобразователь) 1 строится на базе роторной машины объемного расширения. Роторная машина преобразователя (фиг. 1) содержит: неподвижный корпус 4. представляющий полый цилиндр, который с торцов прикрыт крышками; ротор 5, в виде колеса, посаженного на вал 6, и полый вал 7 колеса и выдвижное устройство (ВУ). Основная часть корпуса 4 (фиг. 1, 2, 3, 4) представляет собой полый цилиндр, и на его внутренней поверхности выполнены канавки 8 соответствующего профиля. Внутренняя ободная поверхность корпуса (канавки) и внешняя ободная поверхность ротора образуют функциональную полость (полости) 9, в конце которой имеется выпускное окно 10. В месте контакта, с заданным зазором корпуса с ротором (зона впуска и воспламенения рабочего тела-место ротора) 11, расположены элементы подачи рабочего тела - ресивер 3. впускное отверстие 12, элементы зажигания или форсунки впрыска топлива 13, уплотнения 14. Роторная машина преобразователя может иметь одну или несколько функциональных полостей 9, и соответственно иметь такое же количество зон впуска и воспламенения РТ 11. Верхняя и нижняя части корпуса 1 являются, соответственно, верхней и нижней опорой цапф валов 6, 7 ротора и прикрывают с торцов основную часть корпуса 4. Функциональная полость 9 преобразователя 1 (фиг. 1, 2, 3) состоит из рабочего участка (зоны), где происходит непосредственное преобразование тепловой энергии в механическую (рабочий ход) и выпуск отработанных газов (выхлоп), и зоны выпускного окна 10. Канавки в начале функциональной полости и в зоне выпускного окна 10) расширены в сторону зоны впуска и воспламенения РТ (место ротора) 11.

Ротор 5 (фиг. 1, 2, 3, 4, 5) представляет собой тело цилиндрической формы в виде колеса с ободом, который имеет кольцеобразный выступ. В теле ротора 5 (спицах), во внутренних каналах (направляющих) 15, диагонально или тангенциально расположены лопатки (фиг. 1, 2, 3) прямые 16 или (фиг. 4, 5) изогнутые 17. На внешней ободной поверхности ротора имеются отверстия канала для выхода лопаток 16, 17 в функциональную полость 9. Ротор 5, в зависимости от механизма ВУ, содержит (фиг. 1) либо одну прямую (если в корпусе только одна полость) лопатку, либо (фиг. 6) две прямые 16, перпендикулярно или (фиг. 3) параллельно расположенные относительно друг друга (если в корпусе две и более функциональных полостей), либо (фиг 4, 5) две или несколько изогнутых лопаток 17 (если в корпусе две и более функциональных полостей). Канал 15, с антифрикционными вкладышами, и с роликами (типа рольганг - не показано) нагруженной стороны, соответствует форме лопатки. Канал 15 имеет уплотнения с лопаткой, препятствующие прорыву газов в внутриободное пространство (не показано). На ободной поверхности ротора 5. за лопатками (на определенном удалении по ходу вращения) имеется углубление сферической формы (усеченная сфера) являющейся камерой сгорания 18 (КС). Обод ротора, сопряженный с задней (по ходу вращения) стенкой канала 15, несколько сглажен.

Лопатка представляет собой (фиг. 1, 2, 3) прямую 16 или (фиг. 4, 5) изогнутую 17 (постоянною рационального радиуса больше радиуса ротора) пластину. Ширина лопаток 16, 17 соответствует ширине канавки 8 корпуса. Лопатка 16 либо проходит через все тело ротора 5, по диаметральной линии, а каналы имеют два выхода (сквозной проход) и торцовые части данной лопатки выходят (из противоположных концов ротора) в одну, или разные функциональные полости. Либо расположена тангенциально в каналах 15 в теле ротора и выходят только в одну функциональную полость.

Для прохода лопаткой зоны впуска и воспламенения РТ, соответственная торцовая часть лопатки должна уходит в тело ротора 5. При этом ширину данной зоны определяет отношение хода лопатки к ее вылету относительно обода ротора. Если вылет лопатки будет 3/4 ее хода, то зона впуска и воспламенения (место ротора) 11 составляет около 1/3 окружности ротора. Торцовые грани прямой 16 и изогнутой лопатки 17 могут быть прямыми или профильными, как кольцеобразный выступ. Опорная часть, прямой 16 и изогнутой 17 лопаток, всегда будут кратно больше выдвинутой в функциональную полость 9. В средней части прямой лопатки 16 и в соответственном месте изогнутой лопатки 17, на длинном торце выбранной стороны, имеется цилиндрический стержень 19 (штырь, шип, палец) или кольцо (не показано), на котором закреплены планки 20, входящие в пазы канала и прикрывающие канал (для прямой лопатки 16 - в пределах внутреннего обода полого вала 7 ротора).

Выдвижное устройство (ВУ) (фиг. 1, 6 снизу) прямой лопатки 16 (проходящей через вес тело ротора) содержит зубчато-кривошипный механизм и обеспечивает, согласованное с углом поворота ротора 5, движение лопатки 16, с возможностью выдвижения противоположных торцовых частей одной лопатки в различных местах функциональной полости 9, в определенный момент вращения ротора 5, обеспечивая должное соприкосновение (прилегание) торца лопатки 16 с ее элементами уплотнения (не показано) к профильной поверхности стенки корпуса 4. Зубчато-кривошипный механизм состоит из вала ВУ 21, свободно закрепленного в корпусе (опора вала ВУ), кривошипа 22 вала ВУ и зубчатого колеса 23. Полый вал 7 ротора имеет, по внутреннему ободу, зубчатый венец 24, в зацепление которого входит зубчатое колесо 23 вала ВУ. Смещение зубчатого колеса 23 вала ВУ 21 (относительно оси ротора) определяет сторону наибольшего выдвяжения лопаток 16 (возможен привод к зубчатому колесу 23 вала ВУ и от внешнего зубчатою венца полого вала 7 ротора, через соответствующие зубчатые колеса, размещенных в корпусе - не показано). Зубчатое колесо 23 вала ВУ 21 имеет диаметр и количество зубьев вдвое меньше, чем зубчатый венец 24 полого вала 7 ротора (соответствующее передаточное число). Рычаг кривошипа 22 ВУ соединен, в соответствующем месте, с элементом шарнира на торце лопатки. Длина рычага кривошипа 22, от осевой линии вала ВУ 21 до осевой линии отверстия проушины (кольца) 25, соответствует радиусу зубчатого колеса 23 вала ВУ (по средней линии). Внутреннее зацепление зубчатого колеса 23 вала ВУ с зубчатым венцом 24 полого вала 7 ротора обеспечивает вращение зубчатого колеса 23 (а также вала 21 ВУ и кривошипа 22) в направлении вращения ротора 5. Тем самым осуществляется перемещение (возвратно-поступательное) лопатки по диагональной линии ротора, с выходом частей лопатки в противоположные части ротора, при кратном большем значении опорной части, чем выдвинутой.

Выдвижное устройство (ВУ) для машины с двумя и более рабочими полостями 9, где в каналах в геле ротора тангенциально расположены (фиг. 3) прямые 16 (параллельные) или (фиг. 4, 5) изогнутые 17, с постоянным радиусом кривизны больше радиуса ротора, лопатки, содержит зубчато-кривошипно-шатунный механизм. Головка шатуна 26 ВУ имеет шарнирное соединение с цилиндрическим стержнем 19, расположенным на длинном изогнутом торце лопатки в соответствующем месте. Зубчатое колесо 23 вала ВУ входит в зацепление зубчатого венца (с соответствующим передаточным числом) на неподвижном корпусе (не показано, привод ВУ как у прототипа). Возможно (фиг. 3, 4) кратное (четное) соотношение рабочих полостей и лопаток (две полости - 2, 4… лопатки), и не кратное (фиг. 5), две полости - три лопатки, как у прототипа. Валы ВУ 21 могут проходить через тело ротора 5. Кривошипы 22 располагаются над лопатками внутри обода, с торцовых сторон ротора, как па одной стороне, так и на разных сторонах торца ротора 5. ВУ обеспечивает выход изогнутой лопатки в рабочую полость как выпуклой, так и вогнутой гранью по направлению вращения.

Выдвижное устройство (фиг. 6 сверху, 7) для ротора с двумя перпендикулярными лопатками и имеющего корпус с несколькими функциональными полостями, содержит для каждой лопатки планетарно шестеренчато-кривошипный механизм, включающий в себя водило 27, на котором расположено зубчатое колесо 23 с кривошипом 22, имеющего шарнирную связь с лопаткой 16. Зубчатое колесо 23 входит в зацепление с зубчатым венцом 24 на внутреннем ободе полого вала ротора, при этом зубчатое колесо 23 имеет диаметр и количество зубьев вдвое меньше, чем зубчатый венец 24 полого вала ротора. А водило 27 имеет привод от вала 28 с зубчатыми колесами, входящими в зацепление с зубчатым колесом водила 29 (с соответствующими передаточными числами) и с зубчатым венцом 30 привода водила полого вала ротора.

Модуль сжатия (компрессор) 2 может быть построен как на базе роторной машины (как у прототипа) с выдвигающимися лопатками (прямыми, изогнутыми), так и на базе других типов компрессоров (винтовых, шестеренчатых, поршневых и т.д.) с соответствующей производительностью и механической связью с преобразователем. Роторная машина компрессора, с выдвигающимися прямыми и изогнутыми лопатками, аналогична роторной машине преобразователя. Исключением является наличие в начале функциональной полости (по ходу вращения) впускного окна или отверстия для ввода РТ (ТВС, воздух), и выпускное окно (отверстие), соединенное с ресивером и перекрытое самодействующим клапаном 31 (тарельчатого типа или лепесткового), и отсутствие на ободе ротора углубления для камеры сгорания и элементов зажигания. Также компрессор может быть построен на базе роторной машины с двумя лопатками, расположенными в теле ротора (в каналах-направляющих) перпендикулярно друг другу с вырезом, обеспечивающим взаимное перемещение пересекающихся лопаток. Для ротора, имеющего две прямые, перпендикулярно расположенные лопатки (фиг. 6 снизу) ВУ (зубчато-кривошипный) будет индивидуально для каждой, и будет располагаться на противоположных торцовых сторонах ротора 5. Роторная машина, имеющая две прямые перпендикулярно расположенные лопатки 16 с одной функциональной полостью 9 (которые разбивают полость на три части - зону впуска, зону вытеснения, и зону сжатия), позволяет удвоить количество ходов сжатия на оборот.

Работа двигателя происходит следующим образом (фиг. 3, 4, 5): рабочее тело подается на вход компрессора 2 (в примере - на базе роторной машины с выдвигающимися лопатками), за заднюю грань выдвигающейся лопатки 16, создающей разряжение, и заполняет функциональную полость. Затем, вторая, по ходу вращения ротора, лопатка начинает сжимать РТ до нужного давления, и далее через впускной самодействующий клапан 31. сжатое рабочее тело попадает в ресивер 3. Ресивер 3 содержит несколько зарядов РГ, и тоже быть, как для одной секции, так и для группы секций или общим для всех секций двигателя (в зависимости от функциональной принадлежности двигателя). Вращающий ротор 5 преобразователя 1 камерой сгорания 18 подходит к впускному отверстию 12 с седлом для клапана 32, и выпускной клапан 32 (регулируемый: подъемного, поворотного или вращающегося типа), с приводом от преобразователя, начинает открываться, а сжатое РТ из ресивера заполняет камеру сгорания 18. Показан (фиг. 1, 2, 3, 4.) подъемный клапан 32, с приводом от внешнего зубчатого венца 33 полого вала 7 ротора к кулачку 34. с зубчатым колесом и толкателем 35. После прохождения впускного отверстия 12. выпускной клапан 32 ресивера 3 начинает закрываться, а камера сгорания 18 входит в зону элемента системы зажигания (или форсунка впрыска топлива) 13. В определенный момент положения КС 18 (КС должна пройти второе уплотнение 14) элементом зажигания 13 (или форсунка впрыска топлива) происходит воспламенение РТ. При дальнейшем вращении ротора, КС 18 входит в функциональную полость 9, где горючие газы выходят из КС 18 и их давление воздействует на заднюю грань выдвигающийся лопатки 16 (17) и совершается рабочий ход. А передняя грань лопатки выталкивает отработанное РТ к выпускному окну 10, где, при достижении противоположной выдвинутой части лопатки или первой по ходу вращения лопаткой (для ротора с несколькими лопатками) зоны выпускного окна 10, отработанные газы выводятся (выхлоп). Создание РТ. включающее определенные компоненты - топливно-воздушная смесь (ТВС). жидкость (РТ изменяющее агрегатное состояние), для парового цикла, унитарного топлива, происходит посредством соответствующих устройств системы питания. Они могут быть расположены до модуля сжатия 2 (карбюратор, инжектор, форсунка ВД). после модуля сжатия в ресивер 3 (внешнее смесеобразование), или непосредственно (впрыск) в камеру сгорания 18 (внутреннее смесеобразование). И при этом, часть топлива можно вводить предварительно в указанных ранее местах, (не покачано). Также возможно осуществлять впрыск топлива (часть) и начале функциональной полости 9, после прохождения лопатки. В варианте с ресивером 3 должен быть предусмотрен останов двигателя в определенном положении, когда выпускной клапан 32 закрыт. А также в случае пуска двигателя, когда в ресивере недостаточное давление, должна быть отключающая муфта (автоматическая, ручная), разрывающая механическую связь компрессора с преобразователем (не показано). Стартер вращает сначала компрессор 2 и при достижении нужного давления, восстанавливает механическую связь с преобразователем 1 и осуществляет запуск двигателя. Также ресивер 3 может иметь ниппельный (односторонний) клапан, для подачи РТ (или воздуха) от внешнего компрессора (не показано). В варианте двигателя без ресивера 3 (фиг. 2), компрессор 2, на базе лопастной машины с маятниковым рычагом 36, должно быть согласованное движение лопасти 37 компрессора и ротора, чтобы камера сгорания находилась над лопастью в момент ее нахождения в зоне нижней мертвой точки (НМТ). И в момент достижения НМТ лопастью. КС 18 должна пройти лопасть. Лопасть 37 оснащена самодействующим клапаном 38, позволяющим заполнять РТ пространство под лопастью 37 при ее поднимании (впуск), и удерживать там РТ при сжатии. А корпус компрессора 2 имеет впускной клапан 31 для заполнения и удержания РТ в пространстве над лопастью. Аналогично может работать и поршневой компрессор с впускным самодействующим клапаном, установленным на днище поршня (не показано). Уплотнения 14 (как преобразователя, так и компрессора), в момент прохождения отверстия выхода лопаток, должны уходить в тело корпуса 4 (кулачковый привод геометрического или динамического замыкания), чтобы задняя грань канала 15 не выбила их. Для преобразователей с двумя перпендикулярными лопатками (фиг. 6), где ВУ расположено с обеих сторон ротора и оба вала ВУ полые, съем мощности от двигателя, выполняет (фиг. 6) либо отдельный вал отбора мощности 39 с зубчатым колесом, входящим в зацепление с внешним зубчатым венцом 33 полою вала 7, либо может выполнять вал привода водила 28.

Наличие разнофункциональных модулей позволяет сделать двигатель меньшей массы и габаритов. В приведенном варианте (равный по мощности) поршневой двигатель должен иметь два универсальных цилиндра на один роторный модуль преобразования с компрессором. И при этом, за счет двойного действия лопатки (задняя грань лопатки участвует в рабочем ходе, а передняя грань той же лопатки осуществляет выхлоп), обороты двигателя, в приведенном варианте относительно поршневого, будут вдвое меньше при большем крутящем моменте. Преобразователь (фиг. 1) с одной лопаткой и одной рабочей полостью совершает два рабочих такта за оборот, с двумя лопатками и двумя рабочими полостями (фиг 3, 4) - четыре, а с тремя лопатками и двумя рабочими полостями (фиг. 5) - шесть рабочих тактов за оборот. А для преобразователя (фиг. 7) с двумя перпендикулярными лопатками в роторе и ВУ на базе планетарного зубчато-кривошипного механизма, с тремя рабочими полостями, будет двенадцать рабочих тактов/оборот. Компрессор, устройство которое работает при значительно более легких динамических и тепловых нагрузках, и соответственно может быть выполнен с меньшим запасом прочности, чем работающий с большими динамическими и тепловыми нагрузками преобразователь или универсальная ЦПГ в поршневом. А значит двигатель в целом будет легче. И в компрессоре, есть возможность применять материалы (уплотнения), которые не выдерживают тепловые и динамические нагрузки рабочего хода. Кроме этого площадь для рассеянного тепла у двух поршней больше одного роторного преобразователя. Детали механизма выдвижения у роторного преобразователя значительно меньше нагружены, составляющая силы давления газов в направлении выдвижения лопаток незначительна, и могут быть облегчены. К примеру: в зубчато-кривошипно-шатунном механизме (для параллельных прямых и изогнутых лопаток), кривошип может быть без одной щеки с консольным валом. А у поршневого КШМ основа преобразования, действующий в условиях максимального воздействия газовых сил, поэтому и выполнен с соответствующим запасом прочности и соответствующим весом и габаритами. В роторном преобразователе лопатка самый нагруженный элемент, но она имеет большую площадь контакта с антифрикционным вкладышем и роликами (не показано), позволяющим снизить силу трения и удельное давление газовых сил. И при этом надо помнить, что лопатка нагружается постепенно по мере выдвижения, при снижающимся давлении. А поршень, при рабочем ходе, сразу получает ударную нагрузку по всей своей площади днища (максимальная сила давления). Наличие сферической камеры сгорания (усеченная сфера) позволяет иметь минимальную площадь КС (кратно меньше площади КС поршневого) и практически идеальной формы, что снижает возможность появления детонации и создает условия повышения степени сжатия, а это, в свою очередь, ведет к повышению КПД. И также меньшие тепловые потери в стенку, при максимальной температуре газов, через КС (охлаждение КС маслом из внутриободного пространства). Кроме этого, данная КС позволяет выдержать как значительно большее давление, так и кратно большую скорость нарастание давления, чем КС поршневого ДВС, при повышении степени сжатия. В поршневом ДВС такие детали как поршень и цилиндр, палец поршня и шатун, шатун (вкладыши) и шатунная шейка, коленвал и опорные подшипники имеют свои зазоры и ограничения при ударной нагрузке (скорости нарастания давления). В этом плане, роторный преобразователь имеет только один элемент связи - вал ротора с опорой (естественно антифрикционный вкладыш) в корпусе. Это относительно прочная пара трения, кроме того масса ротора за счет инерции растягивает ударную нагрузку. Силу ударной нагрузки определяет площадь элемента его воспринимающего. В поршневом, это площадь поршня, и она неизменна. В роторном преобразователе площадь отверстия в КС многократно (до 8 раз) меньше, при равном объеме КС, чем в поршневом. Отсюда и нормальная составляющая (максимальная сила ударной нагрузки) на вал ротора будет соответственно меньше. Причем для преобразователя с двумя рабочими полостями и тремя изогнутыми лопатками она еще кратно снижается (результирующая, за счет воздействия противонаправленных сил на вал ротора), а с двумя лопатками (прямыми или изогнутыми), где процесс рабочего хода одновременный, вообще результирующая на вал равна нулю. Это позволяет применить способ зажигания сверхбедных смесей, где процесс постепенного управляемого горения заменяется горением с кратно большей скоростью. Этот способ зажигания ТВС мощной, многоточечной, объемной, а также калильной системой зажигания, с высокой скоростью нарастания давления, убирает проблему неадекватного горения сверхбедных смесей. А использование сверхбедных смесей приводит к повышению КПД двигателя и. заодно, снижению детонации. Кроме этого, кратно быстрое горение позволяет быстрее начать процесс расширения, уменьшая время контакта горячих газов со стенками КС и канавками корпуса (снижая потери в стенку). Отстоящая КС от каналов выхода лопаток осуществляет истечение горючих газов, когда лопатка уже прошла некоторый обьем функциональной зоны. При этом лопатка выдвинулась на достаточное расстояние, чтобы тангенциальная составляющая силы, имела существенное значение. Горючие газы, заполняя объем, охлаждаются за счет расширения, но при этом они не успевают относительно длительно контактировать со стенками полости (и с учетом кратно большей скорости сгорания ТВС) и выдвинутой частью лопатки, и нагреть их, что снижает тепловые потери. Объем за выдвигающейся лопаткой (до начала проникновения газов из КС) заполняется отработанными газами за счет либо расширения канавок, либо за счет перепускных каналов, в начале функциональной полости. Тем самым исключается разряжение лопаткой. А выдвигающаяся лопатка при этом, не затеняет свою противоположную сдвигающуюся часть, позволяя последней более полно использовать энергию газов. Ну, а в момент подачи из КС горючих газов, выдвигающаяся лопатка должна пройти расширения или каналы и ее уплотнения должны достигнуть стенок функциональной полости.

Роторный преобразователь способен обеспечить продолженное расширение по циклу Аткинсона тоже без технических трудностей (только изменением объема КС, при неизменности объема расширения), что ведет к значительному приросту КПД. Для сравнения, у поршневого, либо цикл Миллера с перепускными каналами и проблемами наполнения, либо цикл Аткинсона со сложным изменением длины рычага кривошипа через два такта. Возможен паровой цикл (много компонентное РТ), введением форсунками соответственной жидкости, при продолженном расширении (при этом получаем внутреннее охлаждение стенок и снижение температуры исходящих газов). Двигатель имеет меньшие габариты, содержит простые механизмы и отличается высокой надежностью, позволяет иметь высокую степень сжатия, использовать сверхбедные смеси, а также способность просто реализовать продолженное расширение. И обладает более надежной, простой технологичной конструкцией, является более экономичным, с высокой удельной мощностью и КПД.

Системы обеспечивающие работу ДВС (питания, зажигания, смазки и т.д.) не показаны.

Список обозначений

1 - преобразователь: 2 - компрессор; 3 - ресивер; 4 - корпус; 5 - ротор; 6 - вал ротора; 7 - полый вал ротора; 8 - канавки; 9 - функциональная полость: 10 - выпускное окно; 11 - зона впуска воспламенения (место ротора); 12 - впускное отверстие; 13 - элементы зажигания и топливные форсунки; 14 - уплотнения; 15 - каналы-направляющие; 16 - лопатка прямая; 17 - лопатка изогнутая; 18 - камера сгорания; 19 - цилиндрический стержень (штырь); 20 - защитная планка; 21 - вал ВУ; 22 - кривошип; 23 - зубчатое колесо вала ВУ; 24 - початый венец полого вала ВУ; 25 - проушина (кольцо); 26 - шатун; 27 - водило; 28 - вал привода водила с зубчатыми колесами; 29 - зубчатое колесо водила; 30 - зубчатый венец привода водила; 31 - клапан самодействующий: 32 - выпускной клапан; 33 -внешний зубчатый венец полого вала; 34 - кулачок с зубчатым колесом; 35 - толкатель: 36 - маятниковый рычаг; 37 - лопасть компрессора; 38 - самодействующий клапан лопасти; 39 - вал отбора мощности с зубчатыми колесами.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двигатель составлен из модулей с подобранными параметрами для определенного модуля. Определенный модуль реализует соответствующий такт заданного термодинамического цикла работы двигателя. Модули последовательно соединены соответственно элементами впускного - выпускного трактов. Модули имеют либо одинаковую, либо разную частоту вращения. Модули могут располагаться или на одном валу (6), или модули могут располагаться соосно, или произвольно в пространстве с любым видом механической связи. Роторная машина модуля содержит неподвижный корпус (4), с выполненными в нем канавками (8), жестко посаженный на вал (6) ротор (5) и выдвижное устройство (ВУ). Канавки (8) с ободом ротора (5) образуют полости (9), которые имеют впускные и выпускные отверстия (12) или окна. Ротор (5) выполнен в виде колеса с ободом, имеющим кольцеобразный выступ, соответствующий профилю канавок (8) корпуса (4). В теле ротора, в изолированных от внутриободного пространства каналах-направляющих (15), расположены или прямые (16) лопатки, или изогнутые лопатки. Прямые лопатки (16) проходят по диагональной линии ротора (5). Если прямых лопаток (16) две, то они расположены перпендикулярно друг другу и выдвигаются с двух противоположных сторон ротора (5) в функциональную полость (9). Лопатки (16) имеют шарнирное соединение с элементами ВУ. ВУ построено на базе либо зубчато-кривошипного, либо на базе зубчато-кривошипно-шатунного механизмов и обеспечивает согласованное с углом поворота ротора выдвижение и задвигание лопаток. Двигатель реализует циклы ДВС и состоит из одной или нескольких секций пары разнофункциональных модулей. Один модуль пары, построенный на базе роторной или поршневой машины, является компрессором (2) и осуществляет впуск и сжатие рабочего тела. Другой модуль пары является преобразователем (1) и осуществляет такт расширения с подводом теплоты и построен на базе роторной машины с выдвигающимися лопатками. Преобразователь (1) осуществляет преобразование тепловой энергии в механическую, а также выхлоп. Секции также располагаются либо на одном валу (6), либо соосно или произвольно в пространстве. Корпус преобразователя (1) имеет отверстие (12) для ввода рабочего тела в камеру сгорания либо от ресивера (3), либо непосредственно от компрессора (2), которое перекрыто клапаном. Камера (18) сгорания выполнена в виде усеченной сферы, представляет из себя углубление сферической формы на ободе ротора и отстоит от канала-направляющего (15) выхода лопаток. В корпусе (4) расположены элементы зажигания (13) или форсунка впрыска топлива. Технический результат заключается в обеспечении продолженного расширения газов и увеличении удельной мощности. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Двигатель, содержащий модули с подобранными параметрами для каждого определенного модуля, где определенный модуль реализует соответствующий такт заданного термодинамического цикла работы двигателя, модули последовательно соединены соответственно элементами впускного-выпускного тракта и имеют либо одинаковую, либо разную частоту вращения, модули могут располагаться либо на одном валу, или модули могут располагаться соосно, или произвольно в пространстве, роторная машина определенного модуля содержит неподвижный корпус, с выполненными в нем канавками, жестко посаженный на вал ротор и выдвижное устройство (ВУ), канавки с ободом ротора образуют полости, которые имеют впускные и выпускные отверстия или окна, а ротор выполнен в виде колеса с ободом, имеющим кольцеобразный выступ, соответствующий профилю канавок корпуса, в теле ротора, в изолированных от пространства внутри обода каналах-направляющих расположены лопатки прямые или изогнутые, прямые лопатки проходят по диагональной линии ротора, если прямых лопаток две, то они расположены перпендикулярно друг другу и выдвигаются с двух противоположных сторон ротора в функциональную полость, лопатки имеют шарнирное соединение с элементами выдвижного устройства, которое построено либо на базе зубчато-кривошипного, либо на базе зубчато-кривошипно-шатунного механизмов и обеспечивает согласованное с углом поворота ротора выдвижение и задвигание лопаток, отличающийся тем, что двигатель реализует циклы ДВС и состоит из одной или нескольких секций пары разных функциональных модулей, где один модуль пары, построенный на базе роторной или поршневой машины, является компрессором и осуществляет впуск и сжатие рабочего тела, а другой модуль пары, на базе роторной машины с выдвигающимися лопатками, является преобразователем, осуществляет такт расширения с подводом теплоты и построен на базе роторной машины с выдвигающимися лопатками, преобразователь осуществляет преобразование тепловой энергии в механическую, а также выхлоп, секции располагаются либо на одном валу, либо соосно или произвольно в пространстве, корпус преобразователя в определенном месте имеет отверстие для ввода рабочего тела в камеру сгорания либо от ресивера, либо непосредственно от компрессора, которое перекрыто клапаном, камера сгорания выполнена в виде усеченной сферы, представляет из себя углубление сферической формы на ободе ротора и отстоит от канала-направляющего выхода лопаток, в корпусе расположены элементы зажигания или форсунка впрыска топлива.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что ВУ для каждой лопатки содержит планетарный шестеренчато-кривошипный механизм, включающий в себя водило, на котором расположено зубчатое колесо, с кривошипом, имеющим шарнирную связь с лопаткой, зубчатое колесо входит в зацепление с зубчатым венцом на внутреннем ободе полого вала ротора, зубчатое колесо имеет диаметр и количество зубьев вдвое меньше, чем зубчатый венец полого вала ротора, водило имеет привод от вала привода водила с зубчатыми колесами, входящими в зацепление с зубчатым венцом полого вала ротора, вал отбора мощности входит в зацепление с внешним зубчатым венцом полого вала, а корпус выполнен с несколькими функциональными полостями.