RU2227211C2

RU2227211C2 - Rotary spherical internal combustion engine

Info

Publication number: RU2227211C2
Application number: RU2001119235/06A
Authority: RU
Inventors: Сергей Анатольевич Цикра (UA); Сергей Анатольевич Цикра
Original assignee: Сергей Анатольевич Цикра
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2004-04-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; rotary internal combustion engines. SUBSTANCE: proposed engine contains split housing with two shafts whose axes intersect in center of engine spherical space. Two rotors secured on shaft are placed inside space and movable disk partition is arranged between rotors. First rotor is output one, and second rotor is secured for rotation on end of other shaft made eccentric and fastened in bore of housing for turning. Rotor are disk partition form Hooke's joint inside housing creating variable volume chambers with walls of spherical space. According to invention, spherical space is made on inner surface of sleeve fitted inside housing for rotation together with output shaft on which it is rigidly fastened together with first rotor. EFFECT: improved reliability of engine. 3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания.The invention relates to engine building, namely to rotary internal combustion engines.

Известна роторная объемная машина (патент США № 4631011 от 23.12.1986), которая состоит из подвижного корпуса со сферической внутренней поверхностью, дисковой мембраной посередине и двумя противоположными отверстиями, через которые в середину корпуса проходят два вала, заканчивающиеся роторами в виде сферических сегментов. Снаружи валы подвижно закреплены в станине под углом друг к другу. От валов отходят вилки, которые посредством пальцев подвижно соединены с корпусом таким образом, что вилка и ротор на каждом из валов расположены в одной плоскости, а по отношению к вилке и ротору другого вала они развернуты перпендикулярно. Роторы образуют с корпусом и мембраной четыре камеры переменного объема. При помощи золотников, расположенных в роторах, и каналов в валах, роторах и мембране в этих камерах организуется рабочий процесс, в течение которого попарно противоположные камеры соединяются между собой через мембрану. Объемная машина, выполненная по такой схеме, имеет следующие недостатки. Во-первых, вилки и подвижный корпус машины следует защищать от повреждений дополнительным кожухом. Во-вторых, технологически тяжело изготовить вал воедино с ротором и вилкой, расположить золотники в роторах, а роторы в корпусе. В-третьих, консольно закрепленные валы испытывают значительные нагрузки. Однако самый главный недостаток - наличие избыточных кинематических связей, количество которых достигает 13. Это накладывает чрезвычайно высокие требования к точности изготовления и сборки машины, а также может привести к значительным силам трения и деформации во время ее работы. Если с целью изменения рабочего объема машины выполнить станину с возможностью изменения угла между осями закрепленных в ней валов, вероятность поломки еще более увеличится.Known rotary volumetric machine (US patent No. 4631011 from 12.23.1986), which consists of a movable housing with a spherical inner surface, a disk membrane in the middle and two opposite holes through which two shafts pass into the middle of the housing, ending in rotors in the form of spherical segments. Outside, the shafts are movably fixed in the bed at an angle to each other. Forks extend from the shafts, which are movably connected to the housing by means of fingers so that the fork and rotor on each of the shafts are in the same plane, and they are turned perpendicular to the fork and rotor of the other shaft. The rotors form four chambers of variable volume with the body and membrane. Using spools located in the rotors and channels in the shafts, rotors and membrane in these chambers, a working process is organized during which pairwise opposite chambers are connected to each other through the membrane. A volumetric machine made according to such a scheme has the following disadvantages. First, the forks and the movable body of the machine should be protected from damage by an additional casing. Secondly, it is technologically difficult to make a shaft together with a rotor and a fork, arrange the spools in the rotors, and the rotors in the housing. Third, cantilevered shafts experience significant loads. However, the main drawback is the presence of excessive kinematic bonds, the number of which reaches 13. This imposes extremely high requirements on the accuracy of the manufacture and assembly of the machine, and can also lead to significant friction and deformation forces during its operation. If, in order to change the working volume of the machine, a bed is made with the possibility of changing the angle between the axes of the shafts fixed in it, the probability of breakage will increase even more.

Задачей изобретения является уменьшение длины уплотнений рабочих камер роторного сферического двигателя и устранение вращательного движения его деталей относительно сопрягаемых с ними поверхностей трения путем размещения их во вращающейся гильзе, закрепленной на выходном валу.The objective of the invention is to reduce the length of the seals of the working chambers of the rotary spherical engine and eliminate the rotational movement of its parts relative to the friction surfaces mating with them by placing them in a rotating sleeve mounted on the output shaft.

Поставленная задача достигается тем, что в роторном сферическом двигателе внутреннего сгорания, содержащем разъемный корпус, два вала, установленные в расточках корпуса, оси которых пересекаются под углом друг к другу в центре сферической полости внутри двигателя, в которой размещены два закрепленных на валах ротора и расположенная между ними подвижная дисковая перегородка, первый ротор закреплен на валу, опирающемся на подшипники в расточке корпуса и являющемся выходным, второй ротор закреплен с возможностью вращения на конце другого вала, выполненного эксцентрическим и закрепленного в расточке корпуса с возможностью поворота, причем ось части вала, несущей ротор и ось части вала, закрепленной в расточке, пересекаются в центре сферической полости таким образом, что роторы и дисковая перегородка составляют внутри корпуса шарнир Гука, образуя со стенками сферической полости камеры переменного объема, сообщающиеся посредством окон и каналов, согласно изобретению, сферическая полость выполнена на внутренней поверхности гильзы, размещенной внутри корпуса с возможностью вращения вместе с выходным валом, на котором она жестко закреплена вместе с первым ротором.The problem is achieved in that in a rotary spherical internal combustion engine containing a detachable body, two shafts installed in the bores of the body, the axes of which intersect at an angle to each other in the center of the spherical cavity inside the engine, in which two rotors mounted on the shafts are located and located between them is a movable disk partition, the first rotor is mounted on a shaft resting on bearings in the housing bore and which is the output, the second rotor is mounted rotatably at the end of another a shaft made eccentric and fixed in the bore of the housing with the possibility of rotation, and the axis of the shaft part bearing the rotor and the axis of the shaft part fixed in the bore intersect in the center of the spherical cavity so that the rotors and the disk partition form a Hook hinge inside the housing, forming the walls of the spherical cavity of the chamber of variable volume, communicating by means of windows and channels, according to the invention, the spherical cavity is made on the inner surface of the sleeve placed inside the housing with the possibility w rotate together with the output shaft on which it is fixedly secured together with the first rotor.

Поставленная задача достигается также тем, что на наружной поверхности гильзы могут быть выполнены лопатки компрессора, вход которого соединен с атмосферой, а выход соединяется каналом в корпусе с впускным окном, а также через регулируемый золотник - с выпускными каналами в гильзе, которые, в свою очередь, выходят к турбине, напротив которой в корпусе размещается реактор.The task is also achieved by the fact that on the outer surface of the sleeve can be made of the compressor blades, the input of which is connected to the atmosphere, and the output is connected by a channel in the housing with an inlet window, and also through an adjustable spool - with exhaust channels in the sleeve, which, in turn, , go to the turbine, opposite which the reactor is located in the casing.

Поставленная задача достигается также тем, что вращающаяся гильза может нести на себе ротор электрической машины, содержащий две обмотки и магнитную систему с северными и южными полюсами, в корпусе выполнены статорные обмотки и магнитная система, а в гильзе выполнены каналы воздушного охлаждения, которые выходят в выпускные каналы.The task is also achieved by the fact that the rotating sleeve can carry on itself the rotor of an electric machine containing two windings and a magnetic system with north and south poles, stator windings and a magnetic system are made in the housing, and air cooling channels are made in the sleeve that go to the exhaust channels.

На фиг.1 изображен роторный сферический двигатель в начале рабочего хода в одной рабочей камере (соответствует ВМТ) и выпуска в другой (соответствует НМТ).Figure 1 shows a rotary spherical engine at the beginning of the working stroke in one working chamber (corresponds to TDC) and exhaust in another (corresponds to BDC).

На фиг.2 показан тот же двигатель во время впуска в одну камеру компрессора и выпуска из другой (соответствует 90° поворота выходного вала относительно положения на фиг.1).Figure 2 shows the same engine during the inlet into one chamber of the compressor and exhaust from another (corresponds to 90 ° rotation of the output shaft relative to the position in figure 1).

На фиг.3 приведена развернутая фазовая диаграмма работы двигателя.Figure 3 shows a detailed phase diagram of the engine.

На фиг.4 изображен вариант двигателя, интегрированного с турбокомпрессором (турбокомпаундный двигатель).Figure 4 shows a variant of an engine integrated with a turbocompressor (turbocompound engine).

На фиг.5 представлен вариант двигателя, интегрированного с обратимой электрической машиной (гибридный двигатель).Figure 5 presents a variant of the engine integrated with a reversible electric machine (hybrid engine).

Двигатель, изображенный на фиг.1, содержит разъемный корпус 1, валы 2 и 3, установленные в расточках корпуса, оси которых пересекаются под углом друг к другу в центре сферической полости, которая выполнена на внутренней поверхности гильзы 4, размещенной внутри корпуса с возможностью вращения вместе с выходным валом, на котором она жестко закреплена вместе с ротором 5. Внутри гильзы также размещены подвижная дисковая перегородка (далее диск) 6 и ротор 7, закрепленный с возможностью вращения на конце вала 3, выполненного эксцентрическим и закрепленного в расточке корпуса с возможностью поворота, причем ось части вала 3, несущей ротор 7 и ось части вала, закрепленной в расточке, пересекаются в центре сферической полости. Роторы 5 и 7 вместе с расположенным между ними диском 6 составляют внутри гильзы сферический шарнир Гука посредством полуцилиндрического вала 8, расположенного на одной стороне диска 6 и совмещающегося с пазом в вершине ротора 7, и пальца 9, размещенного в пазах, выполненных на другой стороне диска 6 и в вершине ротора 5, причем продольные оси полуцилиндрического вала 8 и пальца 9 перпендикулярны друг другу. Сам палец 9 состоит из двух полуцилиндров, продольные оси которых О и O₁ параллельны и не совпадают. Диск 6 делит сферическую полость гильзы между роторами на четыре камеры переменного объема. Две камеры между диском 6 и ротором 7 являются компрессорными. Впуск в них осуществляется через впускное окно 10 в корпусе, перекрываемое ротором 7. Две камеры между диском 6 и ротором 5 являются рабочими, в каждый из них имеются камеры сгорания, образованные карманами 11 в роторе 5. В гильзе 4 выполнены два выпускных окна 12 из рабочих камер, сообщающихся через выпускные каналы 13 с рубашкой воздушного охлаждения 14 между наружной оребренной поверхностью гильзы и корпусом. Компрессорные камеры сообщаются с рабочими через продувочные каналы с окнами 15 и 16 в гильзе 4.The engine depicted in figure 1, contains a detachable housing 1, shafts 2 and 3 mounted in the bores of the housing, the axes of which intersect at an angle to each other in the center of a spherical cavity, which is made on the inner surface of the sleeve 4, rotatably placed inside the housing together with the output shaft, on which it is rigidly fixed together with the rotor 5. A movable disk partition (hereinafter the disk) 6 and a rotor 7, rotatably mounted on the end of the shaft 3, made eccentric, are also fixed inside the sleeve nnogo bore in the housing rotatably, the axis of the shaft 3, the carrier 7 and the rotor axis of the shaft fixed in the bore intersect at the center of the spherical cavity. The rotors 5 and 7 together with the disk 6 located between them form a Hook spherical joint inside the sleeve by means of a semi-cylindrical shaft 8 located on one side of the disk 6 and aligned with the groove at the top of the rotor 7, and the finger 9 placed in the grooves made on the other side of the disk 6 and at the apex of the rotor 5, the longitudinal axes of the semi-cylindrical shaft 8 and the pin 9 being perpendicular to each other. The finger 9 itself consists of two half-cylinders, the longitudinal axes of which O and O _{1 are} parallel and do not coincide. Disk 6 divides the spherical cavity of the sleeve between the rotors into four chambers of variable volume. Two chambers between the disk 6 and the rotor 7 are compressor. They are admitted through the inlet window 10 in the housing, overlapped by the rotor 7. Two chambers between the disk 6 and the rotor 5 are working, each of them has a combustion chamber formed by pockets 11 in the rotor 5. In the sleeve 4 there are two exhaust windows 12 of working chambers communicating through exhaust channels 13 with an air-cooled jacket 14 between the outer fin surface of the sleeve and the housing. Compressor chambers communicate with workers through purge channels with windows 15 and 16 in sleeve 4.

Работает двигатель следующим образом. В камере сгорания, образованной карманом 11 рабочего ротора 5, воспламеняется предварительно сжатая рабочая газовая смесь, фиг.1. Будет это самовоспламенением или принудительным искровым воспламенением зависит от конкретной реализации двигателя. Равнодействующая сила давления горящих газов, воспринимаемая диском 6 и перпендикулярная его плоскости, передается через полуцилиндрический вал 8 на ротор компрессора 7 и эксцентрический вал 2. При положении, изображенном на фиг.1 и соответствующем ВМТ такта сжатия, линия действия этой силы параллельна оси вращения ротора компрессора 7 ОС и вызывает только осевую нагрузку на эксцентрический вал 2, не создавая крутящего момента. При отклонении от этого положения линия действия силы уже не параллельна оси вращения ротора 7, относительно которой создается нескомпенсированный крутящий момент, передаваемый диском 6 через палец 9 рабочему ротору 5 и выходному валу 3. Так, в положении, изображенном на фиг.2, линия действия сил давления газов параллельна оси выходного вала ОР и составляет с осью вращения ОС ротора 7 угол γ, создавая момент М=r F Sinγ, где r - плечо силы F. Ротор компрессора 7 и рабочий ротор 5 с выходным валом 3 при этом вращаются, а вращающийся вместе с ними диск 6 совершает к тому же колебательные движения, изменяя объемы камер, заключенных между ним и роторами. Горячие газы в первой рабочей камере при этом расширяются, совершая полезную работу. В другой рабочей камере в это время происходит выпуск отработавших газов через выпускное окно 12 и выпускной канал 13 в выходной канал рубашки охлаждения 14, выполняющей роль глушителя. В это же время через открытые окна 15 и 16 продувочного канала свежий заряд поступает из компрессорной в рабочую камеру, осуществляя продувку. Поворачиваясь, диск 10 закрывает выпускное окно 12 и продувочное окно 16. При повороте выходного вала на 180° все камеры меняются местами. Таким образом, рабочий ход в двигателе совершается за один оборот выходного вала дважды, по разу для каждой пары камер. Впуск в компрессорную камеру осуществляется через впускное окно 10, открывающееся ротором 7 также через каждые пол-оборота (фиг.2). Развернутая фазовая диаграмма работы одной пары камер представлена на фиг.3. Штриховкой обозначено изменение рабочего объема камер в результате поворота эксцентрического вала 2, изменяющего угол между осями вращения роторов, а с ним и угол колебаний диска, определяющий рабочий объем и степень сжатия в камерах. Таким образом можно регулировать степень сжатия двигателя на разных режимах работы, начиная от максимальной во время пуска работы на холостом ходу и малой нагрузке вплоть до минимальной при наибольшей мощности. Благодаря этому обеспечиваются оптимальные параметры рабочего процесса во время эксплуатации, высокие кпд, экономичность и экологичность двигателя.The engine operates as follows. In the combustion chamber formed by the pocket 11 of the working rotor 5, a pre-compressed working gas mixture is ignited, Fig.1. Whether it is self-ignition or forced spark ignition depends on the specific implementation of the engine. The resultant pressure force of the burning gases, perceived by the disk 6 and perpendicular to its plane, is transmitted through the semi-cylindrical shaft 8 to the compressor rotor 7 and the eccentric shaft 2. At the position shown in Fig. 1 and corresponding to the TDC compression stroke, the line of action of this force is parallel to the axis of rotation of the rotor compressor 7 OS and causes only axial load on the eccentric shaft 2, without creating torque. When deviating from this position, the line of action of the force is no longer parallel to the axis of rotation of the rotor 7, relative to which an uncompensated torque is generated, transmitted by the disk 6 through the pin 9 to the working rotor 5 and the output shaft 3. Thus, in the position shown in figure 2, the action line of gas pressure forces is parallel to the axis of the output shaft OP and makes an angle γ with the axis of rotation of the OS of the rotor 7, creating a moment M = r F Sinγ, where r is the shoulder of the force F. The compressor rotor 7 and the working rotor 5 with the output shaft 3 are rotated, and 6 owl rotating with them rshaet besides oscillatory motion, changing the volume of the chamber concluded between it and the rotor. The hot gases in the first working chamber expand while doing useful work. In another working chamber at this time, exhaust gases are discharged through the exhaust window 12 and the exhaust channel 13 into the output channel of the cooling jacket 14, which acts as a silencer. At the same time, through the open windows 15 and 16 of the purge channel, fresh charge enters from the compressor into the working chamber by purging. Turning, the disk 10 closes the outlet window 12 and the purge window 16. When the output shaft is rotated through 180 °, all chambers are interchanged. Thus, the working stroke in the engine takes place in one revolution of the output shaft twice, once for each pair of chambers. The inlet to the compressor chamber is carried out through the inlet window 10, which opens with the rotor 7 also every half turn (figure 2). An expanded phase diagram of the operation of one pair of cameras is presented in figure 3. The shading indicates the change in the working volume of the chambers as a result of rotation of the eccentric shaft 2, which changes the angle between the axes of rotation of the rotors, and with it the angle of oscillation of the disk, which determines the working volume and compression ratio in the chambers. Thus, it is possible to adjust the compression ratio of the engine at different operating modes, from the maximum during start-up of idling and light load to the minimum at maximum power. Thanks to this, optimal parameters of the working process during operation, high efficiency, efficiency and environmental friendliness of the engine are ensured.

На фиг.4 изображен вариант двигателя, интегрированного с турбокомпрессором (турбокомпаундный двигатель). На наружной поверхности гильзы 4 выполнены лопатки центробежного компрессора 17, вход которого соединен с атмосферой каналом 18. Выход компрессора через канал 19 и впускное окно 10 соединяется с компрессорными камерами двигателя. Кроме того, выход компрессора через регулируемый золотник 20 и кольцевой канал 21 в корпусе двигателя сообщается с выпускными каналами 13 в гильзе 4. Выпускные каналы 13 в гильзе выходят к лопаткам турбины 22, напротив которых в корпусе размещаются лопатки реактора 23 и выходной канал 24.Figure 4 shows a variant of an engine integrated with a turbocompressor (turbocompound engine). The blades of a centrifugal compressor 17 are made on the outer surface of the sleeve 4, the inlet of which is connected to the atmosphere by a channel 18. The compressor output through a channel 19 and an inlet window 10 is connected to the compressor chambers of the engine. In addition, the compressor output through an adjustable spool 20 and an annular channel 21 in the engine housing communicates with the exhaust channels 13 in the sleeve 4. The exhaust channels 13 in the sleeve exit to the turbine blades 22, opposite which the reactor blades 23 and the output channel 24 are located in the housing.

В процессе работы сжатый воздух от центробежного компрессора 17 поступает в компрессорные камеры, увеличивая степень наполнения двигателя. Кроме того, часть сжатого воздуха, регулируемая золотником 20 в зависимости от режима работы, подается через кольцевой канал 21 в выпускные каналы 13, где смешивается с выпускными газами, понижает их температуру и увеличивает массу рабочего тела, подаваемого на лопатки турбины 22. Создавая дополнительный крутящий момент на выходном валу 3, связанном с турбиной через гильзу 4, поток рабочего тела тормозится реактором 23 и выходит через канал 24.In the process, compressed air from the centrifugal compressor 17 enters the compressor chambers, increasing the degree of filling of the engine. In addition, part of the compressed air, regulated by the spool 20 depending on the operating mode, is supplied through the annular channel 21 to the exhaust channels 13, where it is mixed with exhaust gases, lowers their temperature and increases the mass of the working fluid supplied to the blades of the turbine 22. Creating an additional torque the moment on the output shaft 3, connected with the turbine through the sleeve 4, the flow of the working fluid is inhibited by the reactor 23 and exits through the channel 24.

На фиг.5 изображен двигатель, интегрированный с обратимой электрической машиной (гибридный двигатель). Вращающаяся гильза двигателя 4 несет на себе ротор электрической машины, содержащий две обмотки 25 и магнитную систему с северными полюсами 26 и южными полюсами 27 между ними. В корпусе выполнены статорные обмотки 28 и магнитная система 29. Каналы воздушного охлаждения 30, выполненные в гильзе-роторе наклонно по отношению к ее оси вращения, выходят в выпускной канал двигателя 13, образуя центробежный вентилятор.5 shows an engine integrated with a reversible electric machine (hybrid engine). The rotating sleeve of the motor 4 carries a rotor of an electric machine containing two windings 25 and a magnetic system with north poles 26 and south poles 27 between them. The stator windings 28 and the magnetic system 29 are made in the housing. Air cooling channels 30, made in the sleeve rotor obliquely with respect to its axis of rotation, exit the exhaust channel of the engine 13, forming a centrifugal fan.

Во время работы двигателя на обмотки ротора 25 подается ток через коллекторный узел на валу 3. Этот ток создает в магнитной системе вращающийся вместе с ротором магнитный поток, который наводит в обмотках статора переменную ЭДС индукции, вызывающую ток нагрузки в режиме генератора. При необходимости увеличить крутящий момент на выходном валу 3 двигателя обмотки статора запитываются от инвертора тока, и электрическая машина переходит в режим электродвигателя. Охлаждается гильза 4 воздухом, проходящим по каналам воздушного охлаждения 30, который затем смешивается с выхлопными газами в выпускном канале 13, снижая их температуру и предохраняя всю машину от перегрева. Разделение ротора электрической машины на две части, магнитные системы которых направлены встречно друг другу, позволяет избежать намагничивания деталей двигателя, уменьшает длину магнитных линий, уменьшает индуктивность машины, увеличивает ее Cosφ и кпд.During engine operation, current is supplied to the rotor windings 25 through the collector assembly on the shaft 3. This current creates a magnetic flux rotating together with the rotor in the magnetic system, which induces an induction emf variable in the stator windings, which causes the load current in generator mode. If necessary, increase the torque on the output shaft 3 of the motor, the stator windings are powered by a current inverter, and the electric machine enters the motor mode. The sleeve 4 is cooled by air passing through the air cooling channels 30, which is then mixed with the exhaust gases in the exhaust channel 13, lowering their temperature and protecting the entire machine from overheating. Separation of the rotor of an electric machine into two parts, the magnetic systems of which are directed opposite each other, avoids magnetization of engine parts, reduces the length of magnetic lines, reduces the inductance of the machine, increases its Cosφ and efficiency.

Claims

1. A rotary spherical internal combustion engine containing a detachable body, two shafts installed in the bores of the body, the axes of which intersect at an angle to each other in the center of the spherical cavity inside the engine, in which two rotary disk mounted on the rotor shafts and located between them are located , the first rotor is mounted on a shaft supported by bearings in the housing bore and which is the output, the second rotor is rotatably mounted on the end of another shaft, made eccentric and closed of the housing rotated in the bore with the possibility of rotation, the axis of the shaft part bearing the rotor and the axis of the shaft part fixed in the bore intersect in the center of the spherical cavity so that the rotors and the disk partition form a Hook hinge inside the body, forming with the walls of the spherical chamber cavity variable volume, communicating through windows and channels, characterized in that the spherical cavity is made on the inner surface of the sleeve placed inside the housing with the possibility of rotation together with the output shaft, on which Oromo is rigidly fixed together with the first rotor.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the compressor blades are made on the outer surface of the sleeve, the input of which is connected to the atmosphere, and the output is connected by a channel in the housing to the inlet window, and also through an adjustable spool - with exhaust channels in the sleeve, which, in turn, they go to the turbine, opposite which the reactor is located in the casing.

3. The engine according to claim 1, characterized in that the rotating sleeve carries a rotor of an electric machine containing two windings and a magnetic system with north and south poles, stator windings and a magnetic system are made in the housing, and air cooling channels are made in the sleeve, which go to the exhaust channels.