RU2300649C2

RU2300649C2 - Axial rotary-vane internal combustion engine

Info

Publication number: RU2300649C2
Application number: RU2005128235/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Владимирович Карасев (RU); Анатолий Владимирович Карасев
Original assignee: Карасева Алиса Никифоровна
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-06-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion rotary engines.

SUBSTANCE: proposed engine has rotor with radial slots fitted on shaft with vanes installed for reciprocating in rotor slots, and also combustion chambers and stator. Stator contains coaxial cylindrical tubular member of larger and smaller diameters between which ring members with wavy surfaces forming crest and troughs are arranged. Wavy surfaces are pointed to each other, being equidistant, and they form working chambers together with outer surface of cylindrical tubular member of smaller diameter, inner surface of cylindrical tubular member of larger diameter and surface of rotor. Inlet and outlet channels are made with alternation in every second crest of ring members with wavy surfaces. Combustion chambers are made in form of hollow cylinders divided by partitions into two sections installed radially for rotation in crests of ring members with wavy surfaces free from inlet and outlet channels. Inlet and outlet ports are made in each section of combustion chamber. Delivery and exhaust holes are made in ring members with wavy surfaces in zone of inlet and outlet ports. Sectors secured on rotor engage with transfer members in contact with combustion chamber to turn it through 180°.

EFFECT: increased efficiency of axial rotary-vane engine.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и, в частности, к двигателестроению.The invention relates to the field of mechanical engineering and, in particular, to engine building.

Известен роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания (ДВС), включающий статор, коаксиальные цилиндрические трубчатые элементы, между которыми размещены кольцевые элементы с обращенными друг к другу эквидистантными поверхностями, образованными в виде совокупности ступенчато сопряженных плоскостей; устройство также имеет ротор с лопастями, установленный на валу. Рабочая камера находится между эквидистантными поверхностями кольцевых элементов и коаксиальными поверхностями цилиндров. Часть рабочей камеры в определенный момент выполняет функцию камеры сгорания, US 4401070.Known rotary vane internal combustion engine (ICE), including a stator, coaxial cylindrical tubular elements, between which are placed annular elements facing each other with equidistant surfaces formed in the form of a set of stepwise conjugated planes; the device also has a rotor with blades mounted on the shaft. The working chamber is located between the equidistant surfaces of the annular elements and the coaxial surfaces of the cylinders. Part of the working chamber at a certain moment functions as a combustion chamber, US 4,401,070.

Недостатком устройства является то обстоятельство, что часть воспламененной смеси возвращается в зону сжатия, что обусловливает низкий коэффициент полезного действия (КПД). Кроме того, устройство весьма сложно по конструкции и в изготовлении ввиду наличия внутренних каналов в роторе и статоре.The disadvantage of this device is the fact that part of the ignited mixture returns to the compression zone, which leads to a low coefficient of performance (COP). In addition, the device is very difficult in design and manufacture due to the presence of internal channels in the rotor and stator.

Более простую конструкцию имеет аксиальный роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания по патенту US 5551853, содержащий статор, включающий коаксиальные цилиндрические трубчатые элементы, между которыми размещены кольцевые элементы с волнообразными поверхностями, имеющими гребни и впадины. Волнообразные поверхности обращены друг к другу, эквидистантны и совместно с наружной поверхностью цилиндрического трубчатого элемента меньшего диаметра и внутренней поверхностью цилиндрического трубчатого элемента большего диаметра образуют рабочую камеру. Устройство также содержит установленный на валу ротор с радиальными пазами, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения в пределах рабочей камеры размещены лопасти. Устройство имеет камеры сгорания, выполненные в роторе. В гребнях кольцевых элементов с волнообразными поверхностями с чередованием через один гребень выполнены впускные и выпускные каналы.A simpler design has an axial rotary vane internal combustion engine according to US Pat. No. 5,551,853, comprising a stator including coaxial cylindrical tubular elements, between which annular elements with wave-like surfaces having ridges and depressions are placed. The wave-like surfaces face each other, are equidistant and, together with the outer surface of the cylindrical tubular element of smaller diameter and the inner surface of the cylindrical tubular element of larger diameter, form a working chamber. The device also contains a rotor mounted on the shaft with radial grooves, in which blades are arranged with the possibility of reciprocating movement within the working chamber. The device has combustion chambers made in the rotor. In the crests of the ring elements with wavy surfaces with alternating through one crest inlet and outlet channels are made.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.This technical solution is taken as a prototype of the present invention.

Недостатком прототипа является низкий коэффициент полезного действия. Это объясняется тем, что значительная часть воспламененной рабочей смеси выбрасывается в атмосферу через выпускной канал с противоположной свече зажигания стороны ротора. Кроме того, устройство по патенту US 5551853 требует минимум 6 лопастей для полного рабочего цикла двигателя, при этом при сжатии рабочей смеси используется только часть объема рабочей камеры между двумя соседними лопастями. Это обусловливает невысокую степень сжатия рабочей смеси и, соответственно, также негативно влияет на КПД.The disadvantage of the prototype is the low efficiency. This is due to the fact that a significant part of the ignited working mixture is emitted into the atmosphere through the exhaust channel from the opposite spark plug of the rotor side. In addition, the device according to US Pat. This leads to a low degree of compression of the working mixture and, accordingly, also negatively affects the efficiency.

Следует также указать, что часть объема рабочей камеры в зоне зажигания сообщается с частью объема рабочей камеры в зоне сжатия, в результате чего газы, образовавшиеся при сгорании смеси, перемешиваются со свежим зарядом рабочей смеси, ухудшая ее качество и, соответственно, дополнительно снижая КПД.It should also be noted that part of the volume of the working chamber in the ignition zone communicates with part of the volume of the working chamber in the compression zone, as a result of which the gases formed during the combustion of the mixture are mixed with a fresh charge of the working mixture, worsening its quality and, accordingly, further reducing efficiency.

Задачей настоящего изобретения является повышение коэффициента полезного действия аксиального роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания.The objective of the present invention is to increase the efficiency of the axial rotary vane internal combustion engine.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в аксиальном роторно-лопастном двигателе внутреннего сгорания, содержащем установленный на валу ротор с радиальными пазами, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены лопасти, камеры сгорания, статор, включающий коаксиальные цилиндрические трубчатые элементы, между которыми размещены кольцевые элементы с волнообразными поверхностями, имеющими гребни и впадины, при этом волнообразные поверхности обращены друг к другу, эквидистантны и совместно с наружной поверхностью цилиндрического трубчатого элемента меньшего диаметра, внутренней поверхностью цилиндрического трубчатого элемента большего диаметра и поверхностью ротора образуют рабочие камеры, причем в кольцевых элементах с волнообразными поверхностями в гребнях с чередованием через один гребень выполнены впускные и выпускные каналы, камеры сгорания выполнены в виде полых цилиндров, разделенных перегородками на две секции, радиально установленных с возможностью вращения в свободных от впускных и выпускных каналов гребнях кольцевых элементов с волнообразными поверхностями, при этом в каждой секции камеры сгорания выполнены впускное и выпускное окна, а в кольцевых элементах с волнообразными поверхностями в зоне впускных и выпускных окон выполнены соответственно нагнетательные и выпускные отверстия.According to the invention, this problem is solved due to the fact that in the axial rotary vane internal combustion engine containing a rotor mounted on the shaft with radial grooves, in which blades, combustion chambers, a stator including coaxial cylindrical tubular elements are arranged with reciprocating motion between which there are annular elements with wave-like surfaces having ridges and depressions, while the wave-like surfaces are facing each other, are equidistant and together with the working surface is formed by the narrow surface of the cylindrical tubular element of smaller diameter, the inner surface of the cylindrical tubular element of the larger diameter and the rotor surface, moreover, in the annular elements with wavy surfaces in ridges alternating through one ridge, intake and exhaust channels are made, combustion chambers are made in the form of hollow cylinders, divided by partitions into two sections, radially mounted with the possibility of rotation in ridges free from inlet and outlet channels to ring elements with wave-like surfaces, while in each section of the combustion chamber there are made inlet and outlet windows, and in the ring elements with wave-like surfaces in the zone of the inlet and outlet windows, respectively, injection and outlet openings are made.

Заявителем не выявлены технические решения, идентичные настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".The applicant has not identified technical solutions identical to the present invention, which allows us to conclude that it meets the criterion of "novelty."

Благодаря реализации отличительных признаков настоящего изобретения в совокупности с признаками, приведенными в ограничительной части формулы изобретения, достигаются важные новые свойства заявленного объекта. Каждая лопасть сжимает полный объем рабочей камеры, таким образом, заявленная машина имеет значительно (в несколько раз) бóльшую степень сжатия рабочей смеси; исключается перемешивание свежего заряда с отработавшими газами, свежий заряд подается из рабочей камеры в одну секцию камеры сгорания, а воспламенение газов в этот момент происходит в другой секции камеры сгорания с последующим выбросом из нее отработавших газов.Thanks to the implementation of the distinguishing features of the present invention, in conjunction with the features given in the restrictive part of the claims, important new properties of the claimed object are achieved. Each blade compresses the full volume of the working chamber, thus, the claimed machine has a significantly (several times) greater degree of compression of the working mixture; mixing of the fresh charge with the exhaust gases is excluded, the fresh charge is supplied from the working chamber to one section of the combustion chamber, and the gases ignite at this moment in another section of the combustion chamber with the subsequent exhaust of exhaust gases from it.

В результате значительно повышается коэффициент полезного действия двигателя.As a result, the efficiency of the engine is significantly increased.

Указанные обстоятельства обусловливают, по мнению заявителя, соответствие настоящего изобретения критерию "изобретательский уровень".These circumstances determine, according to the applicant, the compliance of the present invention with the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг.1 - разрез двигателя по оси ротора;figure 1 - section of the engine along the axis of the rotor;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;figure 2 is a section aa in figure 1;

на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2.figure 3 is a section bB in figure 2.

Аксиальный роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания содержит статор 1, включающий коаксиальные цилиндрические трубчатые элементы 2 и 3, между которыми размещены кольцевые элементы 4 и 5 с волнообразными поверхностями, образующими гребни 6 и впадины 7. Волнообразные поверхности кольцевых элементов обращены друг к другу и эквидистантны. На валу 9 установлен ротор 10 с радиальными пазами 11, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения размещены лопасти 12 с уплотнениями 13 по концам. Волнообразные поверхности кольцевых элементов совместно с наружной поверхностью цилиндрического элемента 3 меньшего диаметра, внутренней поверхностью цилиндрического трубчатого элемента 2 большего диаметра и поверхностью ротора 10 образуют рабочие камеры 8. В гребнях 6 кольцевых элементов 4 и 5 с чередованием через один гребень выполнены впускные 14 и выпускные 15 каналы. Камеры сгорания 16 выполнены в виде полых цилиндров, разделенных перегородками на две секции 17 и 18. Камеры сгорания в виде полых цилиндров установлены радиально с возможностью вращения в свободных от впускных и выпускных каналов гребнях кольцевых элементов 4 и 5 с волнообразными поверхностями. Каждая секция камеры сгорания имеет впускное окно 19 и выпускное окно 20. В кольцевых элементах 4 и 5 в зоне впускных окон 19 выполнены нагнетательные отверстия 21, а в зоне выпускных окон 20 - выпускные отверстия 22. На роторе 10 укреплены фрикционные сектора 23, сопряженные с фрикционными передаточными элементами 24, находящимися в контакте с камерами сгорания 16. Чтобы показать взаимодействие фрикционных секторов 23, фрикционного передаточного элемента 24 с камерой сгорания 16, условно повернем ротор 10 в положение, при котором фрикционные секторы 23 и ось лопасти 12 на фиг.1 показаны пунктиром. При этом ось лопасти 12 повернута (смещена) от середины фрикционных секторов 23 с учетом расстояния между осями фрикционного передаточного элемента 24 и камеры сгорания 16. В секциях 17 и 18 камер сгорания 16 установлены свечи 25 зажигания. В заявленной конструкции предусмотрены системы охлаждения и смазки (на чертежах не показаны).The axial rotary vane internal combustion engine contains a stator 1, including coaxial cylindrical tubular elements 2 and 3, between which annular elements 4 and 5 are placed with wave-like surfaces forming ridges 6 and troughs 7. The wave-like surfaces of the ring elements are facing each other and are equidistant. A rotor 10 with radial grooves 11 is installed on the shaft 9, in which the blades 12 with seals 13 at the ends are placed with the possibility of reciprocating motion. The wave-like surfaces of the annular elements together with the outer surface of the cylindrical element 3 of smaller diameter, the inner surface of the cylindrical tubular element 2 of larger diameter and the surface of the rotor 10 form the working chambers 8. In the ridges 6 of the ring elements 4 and 5 alternating through one ridge are made inlet 14 and outlet 15 channels. The combustion chambers 16 are made in the form of hollow cylinders, divided by partitions into two sections 17 and 18. The combustion chambers in the form of hollow cylinders are mounted radially rotatably in the ridges of ring elements 4 and 5 with wave-shaped surfaces free from inlet and outlet channels. Each section of the combustion chamber has an inlet window 19 and an outlet window 20. In the annular elements 4 and 5 in the area of the inlet windows 19, injection openings 21 are made, and in the area of the exhaust windows 20 there are exhaust openings 22. On the rotor 10, friction sectors 23 are coupled to friction transmission elements 24 in contact with the combustion chambers 16. To show the interaction of the friction sectors 23, the friction transmission element 24 with the combustion chamber 16, we conditionally rotate the rotor 10 to a position in which the friction sectors 23 and Referring to Figure 1 the blades 12 are shown in phantom. The axis of the blade 12 is rotated (offset) from the middle of the friction sectors 23, taking into account the distance between the axes of the friction transmission element 24 and the combustion chamber 16. In sections 17 and 18 of the combustion chamber 16, spark plugs 25 are installed. The claimed design provides cooling and lubrication systems (not shown in the drawings).

Пуск аксиального роторно-лопастного двигателя осуществляется посредством стартера (на чертежах не показан).The start of the axial rotary vane engine is carried out by means of a starter (not shown in the drawings).

Ротор 10 вращается в направлении против часовой стрелки (фиг.2), что соответствует его направлению движения вверх на фиг.1 и 3, показанному стрелками на этих рисунках.The rotor 10 rotates in a counterclockwise direction (FIG. 2), which corresponds to its upward direction in FIGS. 1 and 3, shown by arrows in these figures.

При вращении ротора 10 за лопастью 12 в рабочей камере 8 создается разряжение и через впускной канал 14 рабочая камера 8 заполняется свежим зарядом топливовоздушной смеси. Одновременно лопастью 12 сжимается свежий заряд топливовоздушной смеси, заполнивший рабочую камеру 8 в предыдущем цикле и находящийся перед лопастью. Этот заряд через нагнетательное отверстие 21 и впускное окно 19 заполняет секцию 17 камеры сгорания 16. При дальнейшем вращении ротора 10 лопасть 12 перемещается за гребень 6 кольцевого элемента 5 с волнообразной поверхностью. При этом фрикционный сектор 23 входит в зацепление с фрикционным передаточным элементом 24, находящимся в контакте с камерой сгорания 16. Камера сгорания 16 поворачивается в направлении движения часовой стрелки и ее поворот осуществляется на 180 градусов к моменту достижения лопастью 12 положения за гребнем 6 и выпускным отверстием 22 кольцевого элемента 5; при этом секция 17 камеры сгорания 16 занимает положение, которое занимала секция 18. В секции 17 воспламеняется посредством свечи 25 сжатая топливовоздушная смесь; сгоревшая смесь расширяется, проходя через выпускное окно 20 и выпускное отверстие 22 в рабочую камеру 8, оказывая давление на лопасть 12. Лопасть 12 передает через стенки паза 11 усилие ротору 10, который продолжает вращение в заданном направлении, перемещая лопасть 12 в положение следующей лопасти 12, которая вытесняет отработавшие газы предыдущего рабочего цикла через выпускной канал 15. В конкретном примере герметичность в рабочих камерах 8 обеспечивается подпружиненными уплотнениями 13, размещенными по концам лопастей 12. При дальнейшем вращении ротора 10 и прохождении лопастью 12 нижнего гребня 6 кольцевого элемента 5 один полный рабочий цикл двигателя завершается и начинается второй рабочий цикл, полностью повторяющий первый, и т.д. При вращении ротора 10 лопасти 12 вращаются вместе с ним и одновременно совершают возвратно-поступательные движения между кольцевыми элементами 4 и 5. В левой и правой половинах аксиального роторно-лопастного двигателя рабочие циклы протекают одинаково, но со смещением во времени, обусловленным соответствующим смещением рабочих камер 8, впускных 14 и выпускных 15 каналов и камер сгорания 16.When the rotor 10 rotates behind the blade 12, a vacuum is created in the working chamber 8 and through the inlet channel 14 the working chamber 8 is filled with a fresh charge of the air-fuel mixture. At the same time, the blade 12 compresses the fresh charge of the air-fuel mixture, filling the working chamber 8 in the previous cycle and in front of the blade. This charge through the discharge hole 21 and the inlet window 19 fills the section 17 of the combustion chamber 16. With a further rotation of the rotor 10, the blade 12 moves beyond the ridge 6 of the annular element 5 with a wavy surface. In this case, the friction sector 23 is in engagement with the friction transmission element 24 in contact with the combustion chamber 16. The combustion chamber 16 is rotated in the clockwise direction and is rotated 180 degrees to the moment when the blade 12 reaches the position behind the ridge 6 and the outlet 22 ring element 5; wherein section 17 of the combustion chamber 16 occupies the position occupied by section 18. In section 17, a compressed air-fuel mixture is ignited by means of a candle 25; the burnt mixture expands, passing through the outlet window 20 and the outlet 22 into the working chamber 8, exerting pressure on the blade 12. The blade 12 transfers force through the walls of the groove 11 to the rotor 10, which continues to rotate in a given direction, moving the blade 12 to the position of the next blade 12 , which displaces the exhaust gases of the previous working cycle through the exhaust channel 15. In a specific example, the tightness in the working chambers 8 is provided by spring-loaded seals 13 located at the ends of the blades 12. When further rotated and rotor 10 and the passage of the blade 12 of the lower ridge 6 of the annular element 5, one full motor duty cycle is completed and the second duty cycle begins, completely repeating the first, etc. When the rotor 10 rotates, the blades 12 rotate with it and simultaneously reciprocate between the ring elements 4 and 5. In the left and right halves of the axial rotor-blade engine, the work cycles proceed the same, but with a time offset due to the corresponding displacement of the working chambers 8, inlet 14 and outlet 15 channels and combustion chambers 16.

Принимая заявленную конструкцию за единичный модуль, можно увеличивать мощность аксиального роторно-лопастного двигателя, объединяя на одном валу несколько модулей.Taking the claimed design as a single module, you can increase the power of the axial rotary vane engine, combining several modules on one shaft.

Claims

An axial rotary vane internal combustion engine comprising a rotor with radial grooves mounted on the shaft, in which blades, combustion chambers, a stator are arranged with reciprocating motion, including coaxial cylindrical tubular elements of correspondingly larger and smaller diameters, between which ring elements with undulating surfaces forming ridges and depressions, while the undulating surfaces face each other, are equidistant and together with the outer surface the surface of the cylindrical tubular element of smaller diameter, the inner surface of the cylindrical tubular element of larger diameter and the surface of the rotor form the working chambers, moreover, in the ridges of the ring elements with wavy surfaces alternating through one ridge, intake and exhaust channels are made, characterized in that the combustion chambers are made in the form of hollow cylinders, divided by partitions into two sections, radially mounted with the possibility of rotation in free from inlet and outlet channels the crests of the ring elements with wave-like surfaces, while in each section of the combustion chamber there are made inlet and outlet windows, and in the ring elements with wave-like surfaces in the area of the inlet and outlet windows, injection and outlet holes are respectively made, while the engaging sectors are fixed on the rotor with transmission elements in contact with the combustion chamber for its rotation through 180 °.