Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к преобразователям химической энергии топлива в электрическую и механическую энергии, и может быть использован в качестве силовой установки для потребителей, использующих химическую энергию топлива в качестве источника энергии, и электрическую и механическую энергии для потребления. Также он может быть использован как паровая, или машина работающая на избыточном давлении газа для генерации

электрической энергии и / или получения механической энергии.

Предшествующий уровень техники.

Прототипом изобретения является коловратная машина , содержащая цилиндрический корпус с впускным и выпускным окнами , в котором установлены, с возможностью вращения , цилиндрический ротор с лопастями и, кинематически связанные с ним, ролики с выемками , периодически взаимодействующие, с помощью последних, с лопастями и разделяющие пространство между корпусом и ротором на большую и меньшую кольцевые полости ( « Записки русскаго Императорскаго общества» , 1885). в котором , в качестве ротора и клапанных механизмов использованы вращающиеся цилиндры прямоугольных сечений на роторе с лопатками , а на клапанных механизмах - с выборками под проход заслонок. Недостатком данной конструкции, есть проблемы с уплотнением рабочей камеры. Первым аналогом является роторный двигатель с заслонками , расположенными в теле ротора , в котором , в качестве запирающего механизма рабочего объема, использованы заслонки , выдвигающиеся из ротора. Недостатком данной конструкции является то , что заслонки испытывают большие нагрузки на излом , обладают малым ресурсом , и не обеспечивают достаточную герметизацию рабочего объема . Например , двигатель П. Девилля P. Deville ) , Т.Негре ( G.Negre ) , двигатель

Ейхановского и Ван Дирн ( Van Doom ) , двигатель Ротом ( Rotom ) , А.П. Федорова , П.И. Парри , П. Патеросона , двигатель Сима ( Sima ) , или патент RU 2397326 выдан по заявке 2009113120 / 06 07.04.2009 на имя Галкин Александр Николаевич.

Известны роторные двигатели внутреннего сгорания (например двигатель Ванкеля), недостатками которых является сочетание ротора с валом отбора мощности через эксцентриковый механизм, приводящий к дополнительному перегреву и износу, большие сложности в уплотнении камеры сгорания, большая склонность к перегреву, неэффективная камера сгорания, большие сложности в производстве.

Известны другие конструкции роторно-поршневых двигателей, своей кинематической схемой замещающие работу кривошипно- шатунного механизма вращения на скольжение, то есть не меняя принцип снятия полезной мощности с поршня.

Также, известные системы двигателей внутреннего сгорания предполагают двойное преобразование энергии - химической энергии топлива в механическую энергию движения.

Недостатком всех двигателей внутреннего сгорания с кривошипно - шатунным механизмом, или его аналогов, где выполняется простая подмена вращательной работы кривошипно - шатунного механизма скольжением по рабочим плоскостям механизмов отбора мощности, являются: а ) организация процесса горения топливовоздушной смеси происходит очень короткое время и в условиях недостатка окислителя , что приводит к выбросам большого количества выбросов вредных веществ, б) равенство камер сжатия и расширения , что приводит к нерациональному использованию рабочего тела , в) кинематика

кривошипно - шатунного механизма создает нерациональной систему отбора энергии рабочего тела,.

Решаемая задача.

В основу изобретения поставлена цель создания эффективного устройства преобразования химической энергии топлива в электрическую и механическую энергию, путем создания роторно - поршневого

двигателя, в котором полезная энергия рабочего тела от

термодинамического процесса, происходящего в цилиндро - поршневой группе или полученный газ избыточного давления с внешних источников, преобразуется в механическую энергию с максимальным крутящим моментом и совмещение в одном корпусе цилиндро - поршневой группы двигателя внутреннего сгорания и вращательной электрической машины, за счет использования преимуществ цилиндро - поршневой группы для снятия полезной энергии рабочего тела, получаемого в результате термодинамического процесса сгорания топлива, или использования газа избыточного давления из внешних источников , и отсутствия

малоэффективной промежуточного звена в виде кривошипно - шатунного механизма , для получения механической энергии и генерации

электрической энергии в крутящий электрической машине.

Сущность изобретения. Решение поставленной задачи достигается тем, что роторный преобразователь, который представляет из себя роторную машину объемного вытеснения, содержащий корпус, поршни, заслонки,

коромысла, ротор с электрической обмоткой, якорь с электрической обмоткой, выполнен в виде роторпо - поршневой машины, который отличается тем, что рабочий объем цилиндра , внутри торообразной полости, главный меридиан которой представляет собой усеченный овал, с расположенными внутри поршнями, которые являются сегментами такой торообразной поверхности, формируется за счет закрытия клиновидной заслонки, которая может двигаться радиально к оси вращения ротора и перекрывать тороидальную полость цилиндра на время рабочего цикла. Заслонка, перекрывающая торообразную полость цилиндра, управляется кулачковым механизмом, кинематически связанным с ротором. Ротор содержит электрические обмотки и является подвижным относительно картера. Якорь содержит электрические обмотки и является неподвижным относительно картера. Ротор и якорь между собой формируют

электрическую машину вращения.

Предлагаемый роторный преобразователь энергии предназначен для работы на предварительно сжатых, газообразных топливе и окислителе с целью превращения химической энергии топлива в электрическую и механическую энергии. Предлагаемый роторный преобразователь построен как совмещенный роторпо-поршневой двигатель внутреннего сгорания и электрическая машина вращения.

Предлагаемый роторный преобразователь лишен недостатков, присущих известным роторно - поршневые двигателям внутреннего сгорания, но использует преимущества отбора энергии рабочего тела, газа с избыточным давлением, в цилиндро - поршневой группе.

Преобразователь представляет собой роторную машину объемного вытеснения, поршни которой расположены по экватору торообразной полости (главный меридиан которой, представляет собой усеченный овал) цилиндра, размещенной внутри ротора электрической машиной. Рабочее тело в машине может работать внутри пространства, создаваемого между торообразними цилиндром и поршнем и управляемой клиновидной заслонкой, перекрывающей тор по радиусу оси вращения , на время рабочего цикла. Поршни могут осуществлять круговое движение по экватору вокруг оси вращения ротора.

Перечень иллюстраций.

Дальнейшая сущность поясняется иллюстративным материалом, на котором изображено следующее:

Фигура 1 - разрез по СС

Фигура 2 - Фронтальный разрез по АА

Фигура 3 - Фронтальный разрез по ВВ

Фигура 4 - Боковой разрез по DD (При открытых заслонках)

Фигура 5 - Боковой разрез по DD ( При закрытых заслонках )

Фигура 6 - Положение клапанов при нахождении контрольной точки Z=0° по радиальной оси первого поршня (Разрез по СС).

Фигура 7 - Положение поршней, заслонок, и ротора при нахождении контрольной точки Z=0° по радиальной оси первого поршня (Фронтальный разрез по АА).

Фигура 8 - Положение толкателей, кулачкового механизма и ротора при нахождении контрольной точки Z = 0° по радиальной оси первого поршня (Фронтальный разрез по ВВ). Фигура 9 - Положение поршней, заслонок, толкателей, кулачкового механизма и ротора при нахождении контрольной точки Z = 0° по радиальной оси первого поршня (Боковой разрез по DD).

Фигура 10 - Положение клапанов при нахождении контрольной точки Z=10° по радиальной оси первого поршня (Разрез по СС).

Фигура 1 1 - Положение поршней, заслонок, и ротора при нахождении контрольной точки Z=0° по радиальной оси первого поршня (Фронтальный разрез по АА).

Фигура 12 - Положение толкателей, кулачкового механизма и ротора при нахождении контрольной точки Z = 10° по радиальной оси первого поршня (Фронтальный разрез по ВВ).

Фигура 13 - Положение поршней, заслонок, толкателей, кулачкового механизма и ротора при нахождении контрольной точки Z = 10° по радиальной оси первого поршня (Боковой разрез по DD).

Фигура 14 - Положение клапанов при нахождении контрольной точки Z=10° по радиальной оси первого поршня (Разрез по СС).

Фигура 15 - Положение поршней, заслонок, и ротора при нахождении контрольной точки Z=15° по радиальной оси первого поршня

(Фронтальный разрез по АА).

Фигура 16 - Положение толкателей, кулачкового механизма и ротора при нахождении контрольной точки Z = 15° по радиальной оси первого поршня (Фронтальный разрез по ВВ).

Фигура 17 - Положение поршней, заслонок, толкателей, кулачкового механизма и ротора при нахождении контрольной точки Z = 15° по радиальной оси первого поршня (Боковой разрез по DD). Фигура 18 - Положение клапанов при нахождении контрольной точки Z=156° по радиальной оси первого поршня (Разрез по СС).

Фигура 19 - Положение поршней, заслонок, и ротора при нахождении контрольной точки Z=156° по радиальной оси первого поршня

(Фронтальный разрез по АА).

Фигура 20 - Положение толкателей, кулачкового механизма и ротора при нахождении контрольной точки Z = 15° по радиальной оси первого поршня (Фронтальный разрез по ВВ).

Фигура 21 - Положение поршней, заслонок, толкателей, кулачкового механизма и ротора при нахождении контрольной точки Z = 15° по радиальной оси первого поршня (Боковой разрез по DD).

Перечень деталей предложенной конструкции роторного

преобразователя :

1. Передняя крышка.

2. Картер.

3. Задняя крышка.

4. Поршень.

5. Заслонка.

6. Коромысло.

7. Поворотная пружина.

8. Толкатель.

9. Ротор.

10. Подшипник. 1 1. Подшипник.

12. Передний фланец.

13. Роторная обмотка.

14. Якорь.

15. Якорная обмотка.

16. Щеточный механизм.

17. Подшипник.

18. Палец.

19. Клеммник якоря.

20. Клеммник ротора.

21. Кулачковый механизм.

22. Подшипник.

23. Изолирующая втулка.

24. Впускной клапан.

25. Форсунка прямого впрыскивания.

26. Свеча принудительного искрового зажигания.

27. Полость цилиндра.

28. Подшипник.

29. Палец.

30. Первичные продувочные окна.

31. Выпускной клапан. Описание предпочтительного варианта изобретения

Конструктивная схема для однороторного преобразователя с двумя поршнями и электрической машиной вращения ( см. Фиг . 1 ,2,3,4,5 ) . К картеру 2 с помощью болтовых креплений присоединена крышка 1 и задняя крышка 3 . Между крышкой 1 и картером 2 сформирована полость цилиндра 27 . В головке цилиндра находятся впускной клапан 24 , выпускной клапан 31 , форсунка прямого впрыска 25 и свеча зажигания 26. Внутри картера 2 находится ротор 9, могущий вращатся внутри картера на подшипниках 10 , 1 1 , 17. На роторе 9 размещены передний фланец 12, поршни 4, роторная обмотка 13, коллектор 29, кулачковый механизм 21. Внутри ротора, через подшипники 22 и 28, размещен якорь 14 ,

закрепленный болтовым соединением с крышкой 3. На якоре расположена обмотка 15, выводы которой через изолирующую втулку 23, выходят на клеммник якоря 19. Контроль положения ротора 9 и подача возбуждения на роторную обмотку 13 осуществляются через щеточный механизм 16, клеммы которого выходят на клеммник ротора 20. К картеру 2, через палец 30 шарнирного соединения, прикреплено коромысло 6, управляющее заслонкой 5, могущей двигаться по пазам внутри картера 2 и крышки 1. Управление коромыслом 6 осуществляется толкателем 8 через палец 29 шарнирного соединения и возвратной пружиной 7 . Коромысло 6

соединено с заслонкой 5 через палец 18 . В передней крышке 1 и картере 2 находятся продувочные окна 30 .

Принцип работы форкамерного роторного преобразователя будет рассмотрен на примере односекционного преобразователя, причем

принимаем следующее: контрольная точка Z по радиальной оси первого поршня, поршень условно занимает сектор в 10 °, количество поршней - 2, расположение поршней - оппозитное, и процесс работы происходит следующим образом: Положение ротора Z = 0 ⁰ (см. Фиг. 6,7,8,9). Запуск. Электрическая машина выполняет роль двигателя запуска.

Фиг. 6. Впускной клапан 24 закрыт. Выпускной клапан 31 открыт. В цилиндре атмосферное давление, происходит продувка пустоты цилиндра.

Фиг. 7. Заслонки 5 открыты. Поршни 4 проходят под заслонками 5.

Фиг. 8. Кулачки кулачкового механизма 21 держат толкатели 8 в верхнем положении.

Фиг. 9. Вид сбоку в боковом разрезе процессов описанных по Фиг. 7 и Фиг. 8.

Положение ротора Z = 10 ⁰ (см. Фиг. 10, 1 1 , 12, \3). Запуск. Электрическая машина выполняет роль двигателя запуска.

Фиг. 10. Открывается впускной клапан 24 - начинается подача окислителя. Открываются форсунки прямого впрыска 25 - начинается подача топлива.

Фиг. 1 1. Заслонки 5 закрываются. Поршни 4 прошли под заслонками 5. Между поршнями и заслонками в цилиндрах начинает формироваться топливо-окислительная смесь. Из продувочных окон 30 выталкивается подпоршневой газ.

Фиг.. 12. Толкатели 8 перешли в нижнее положение. Кулачки 21 прошли полностью.

Фиг..13. Вид сбоку в боковом разрезе процессов описанных по Фиг. 1 1 и Фиг. 12.

Положение ротора Z = от 15 ⁰ до 156 ° (см. Фиг. 14,15, 16, 17 Работа роторной части. Электрическая машина переключается в режим генерации. Фиг. 14. Клапаны 24 и 31 закрыты. Свеча принудительного искрового зажигания 26 поджигает топливо-окислительную смесь.

Фиг. 15. Заслонки 5 закрыты. Топливо горит. Происходит расширение рабочего тела. Поршни 4 оказывают давление на ротор 9, который вращаясь выполняет работу. С продувочных окон 30 выталкивается подпоршневой газ. На обмотки ротора 13 подается напряжение

возбуждения, на обмотках якоря 15 начинается генерация электрической энергии. С переднего фланца 12 снимается крутящий момент.

Фиг. 16. Толкатели 8 в нижнем положении.

Фиг. 17. Вид сбоку в боковом разрезе процессов описанных по Фиг. 15 и Фиг. 16.

Положение ротора Z ^ от 15 ° до 156 ⁰ (см. Фиг. 18, 19,20,2 Работа роторной части. Электрическая машина переключается в режим генерации.

Фиг. 18. Открывается выпускной клапан 31. Давление сравнивается с атмосферным, разгружая заслонку.

Фиг. 19. Заслонки 5 начинают открываться. Топливо выгорело. Ротор 9 движется по инерции. С продувочных окон 30 выталкивается

подпоршневой газ. С выпускного коллектора выходит часть отработанных газов. На обмотках ротора 13 напряжение возбуждения, на обмотках якоря 15 происходит генерация электрической энергии. С переднего фланца 12 снимается крутящий момент инерции.

Фиг. 20. Толкатели 8 движутся в верхнем направлении.

Фиг. 21. Вид сбоку в разрезе процессов описанных по Фиг. 19 и Фиг. 20.

Положение ротора Z = от 156 ° до 180 °(0°). Открыт выпускной клапан 31. Давление внешней среды. Заслонка 5 открыта. С продувочных окон 30 выталкивается подпоршневой газ. Толкатели 8 в верхнем положении. Поршни 4 проходят под заслонками. Ротор 9 движется по инерции. На обмотках ротора 13 напряжение возбуждения, на обмотках якоря 15 происходит генерация электрической энергии. С переднего фланца 12 снимается крутящий момент инерции.

К техническим преимуществам предложенного форкамерного роторного преобразователя (по сравнению с известными), можно отнести следующее:

1. В силу того что в данной кинематической схеме энергия рабочего тела передается на вал наиболее рациональным способом - прямым рычагом, данная машина имеет самый высокий КПД.

2. В силу того, что форма рабочей полости цилиндра представляет собой тор, полученный в результате вращения усеченного овала, обеспечение герметичности цилиндро-поршневой группы легко обеспечивается сигмавидними поршневыми кольцами.

3. В силу того, что форма рабочей полости цилиндра представляет собой тор, полученный в результате вращения усеченного овала, обеспечивается высокая скорость замыкания заслонкой рабочей полости цилиндра.

4. В силу того, что замыкание рабочей полости цилиндра

обеспечивается клиновидной заслонкой - легко обеспечивается герметичность запорного механизма.

5. В силу того, что привод заслонки построен по верхней поверхности ротора, возможно расположение внутри электрического генератора вращения.

6. В силу того, что к моменту прихода поршня к заслонки, давление в камере сгорания уравнивается с атмосферным с обеих сторон, возможно обеспечение высокой долговечности запирающего механизма.