Роторный двигатель Карфидова

Патент РФ №2189470. Владимир Николаевич Карфидов.

Конструкция подавляющего большинства современных двигателей внутреннего сгорания восходит к двигателям Н. Отто (1862 г.) и Р. Дизеля (1892 г.), где применена именно поршневая машина - простейшее устройство, с помощью которого энергия рабочего тела преобразуется в механическую работу. Однако цикличность рабочего процесса, связанного с возвратно-поступательным движением поршня, приводит к значительным тепловым и механическим потерям, порождает вибрации, а КПД процесса едва достигает 30-40%, несмотря на значительные усилия конструкторов по совершенствованию поршневых двигателей.

В 1957 году был испытан первый образец роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, конструкцию которого разработал Ф. Ванкель. По сравнению с поршневыми ДВС он имел как преимущества - в два-три раза большую удельную мощность, так и неустранимые недостатки. Сложность профиля цилиндра здесь приводит к тому, что геометрия последнего в результате температурного расширения изменяется, и перестает соответствовать эпитрохоиде - сложной кривой, описываемой трехгранным поршнем. Отсюда - небольшой диапазон рабочих температур, значительные потери на трение и расход масла на угар. В переменных объемах камер, отсекаемых гранями ротора, происходят обычные для поршневых ДВС процессы. Фактически изменена лишь форма поршня и цилиндра и характер их взаимного перемещения. Таким образом, КПД роторно- поршневого двигателя не превышает КПД традиционных бензиновых двигателей.

Роторный двигатель Карфидова базируется на принципиально иной, новой объемной роторной машине, с новым рабочим циклом. Такой объемной роторной машине (ОРМ) присущи сбалансированность всех масс, благоприятные газодинамические эффекты, отсутствие паразитных объёмов, а также небольшая сумма взаимных перемещений трущихся поверхностей в расчете на рабочий цикл. Целый комплекс технических решений, примененных в данном двигателе, позволил уйти от неразрешимых в традиционных поршневых и роторно-поршневых ДВС проблем.

Так, раздельное сжатие объемов топлива и окислителя в роторе компрессора с одновременной их подачей в симметрично расположенные камеры сгорания рабочего ротора позволяет использовать любую необходимую степень сжатия и различные виды топлива, в том числе водород и кислород в качестве окислителя. Применение в данном двигателе газообразного топлива не сопровождается потерями мощности и экономичности.

Разделение функций роторов позволяет организовать поточный процесс, производить заполнение и сжатие в холодном компрессоре, а рабочий ход и выпуск - в горячем рабочем роторе, с меньшими механическими потерями и с большей эффективностью. За счет большего объема рабочего ротора по сравнению с ротором компрессора осуществляется доработка газов до более низких температуры и давления, с незначительным либо отсутствием шума при выпуске.

Симметричное приложение сил и полная динамическая сбалансированность роторов полностью устраняет вибрации, позволяет в несколько раз расширить рабочий диапазон оборотов двигателя.

Динамическая система герметизации позволяет обеспечить полную герметичность всех сопряжений в рабочих объемах двигателя на протяжении всего рабочего ресурса без ее ухудшения.

Технический результат от использования изобретения - КПД, значительно более высокий, чем у существующих дизелей, с удельной мощностью, более высокой, чем у лучших авиационных поршневых двигателей, и с рабочим ресурсом не меньше, чем у лучших ДВС вообще.

Принцип работы

Топливо (показано оранжевым) и воздух (показан синим) раздельно сжимаются в объемах компрессора и одновременно подаются в камеры сгорания рабочего ротора.

На один оборот двигателя приходится четыре рабочих хода (показано красным), по 180 градусов каждый. Отработанные газы (показано серым) удаляются через окна в диске рабочего ротора.

Исходное состояние (ИС) – 00 (3-я секунда видеоролика)

Лопатки рабочего ротора находятся на линиях смыкания конусов и диска, лопатки компрессора не доходят до линий смыкания (ЛС) на 360.
В двух симметрично расположенных относительно оси перемычки объемах компрессора заканчивается фаза сжатия топлива и воздуха, клапаны в объемах компрессора открываются давлением, порция топлива и воздуха начинает поступать в камеры сгорания рабочего ротора ; в двух объемах рабочего ротора начинается рабочий ход.

60 от ИС

Лопатки рабочего ротора прошли линии смыкания, лопатки компрессора находятся на ЛС.
В двух объемах рабочего ротора продолжается рабочий ход, в двух объемах компрессора завершилось вытеснение топлива и воздуха, завершилась их подача в камеры сгорания. Начинается фаза раздельного заполнения топливом и воздухом двух первых объемов компрессора и фаза сжатия топлива и воздуха в двух других объемах компрессора.

800 от ИС (9-я секунда видеоролика)

Лопатки рабочего ротора находятся на линиях смыкания конусов и диска, лопатки компрессора не доходят до ЛС на 360.
Заканчивается фаза сжатия в двух других объемах компрессора; в двух других объемах рабочего ротора начинается рабочий ход. В двух первых объемах рабочего ротора завершился рабочий ход и началась фаза выпуска; картина подобна исходному состоянию.

160 от ИС

Лопатки рабочего ротора прошли линии смыкания, лопатки компрессора находятся на ЛС.
В двух других объемах рабочего ротора продолжается рабочий ход, в двух других объемах компрессора завершилось вытеснение топлива и воздуха, завершилась их подача в камеры сгорания. Начинается фаза раздельного заполнения объемов компрессора и фаза сжатия топлива и воздуха в двух первых объемах компрессора.

3600 - 00 Исходное состояние

Сравнительные характеристики

Описание

Изобретение относится к области машиностроения, к двигателе- и компрессоростроению. Известен «Роторный двигатель Карфидова и способ подачи горючих смесей в его камеру сгорания» содержащий корпус, снабженный двумя роторами, шаровые камеры которых сообщены полой перемычкой с выполненной в ней камерой сгорания, причем каждый ротор содержит диск, установленный в диагонально расположенной канавке на внутренней стороне корпуса, с примыкающими к корпусу, к рабочей поверхности сферы и к диску конусами, вершины которых с выполненными в них выемками сопряжены с шаровой опорой, в которой расположены окна в зоне их совмещения с окнами в шаровой камере, с образованием первого и второго объемов, разделенных диском, жестко связанным с шаровой опорой и со сферой, между которыми установлены две лопатки в поворотных соединениях, жестко связанные с конусами, в которых примыкающие к лопаткам выполнены окна, а в шаровых опорах на осях поворотных соединений жестко закреплены скользящие элементы, установленные в канавки, выполненные на внешних поверхностях шаровых камер параллельно лопаткам. Патент Р.Ф.№2133840 от 27.07.99.

Недостатком данного технического решения является то, что поворотные соединения имеют трущиеся о лопатки поверхности, после износа которых нарушается герметичность и работа объемов, разделяемых диском в компрессоре, из-за проникновения при сжатии топлива в объем окислителя и наоборот, а также трудность охлаждения и смазки лопаток в рабочем роторе. Все это значительно уменьшает ресурс двигателя.

Известен также «Роторный двигатель», содержащий корпус, снабженный двумя роторами, шаровые камеры которых жестко связаны с конусами, сообщены полой перемычкой с выполненной в ней камерой сгорания, причем каждый ротор содержит диск, установленный в диагонально расположенной канавке на внутренней стороне корпуса с образованием первого и второго объемов, разделенных диском, жестко связанным с шаровой опорой, с выполненными в ней окнами в зоне совмещения с окнами в шаровой камере и сферой с примыкающими к е? рабочей поверхности и к шаровой опоре лопатками установленными в диске и в конусах, в которых примыкающие к лопаткам выполнены окна, а на внешней поверхности шаровой камеры выполнены канавки параллельно лопаткам с установленными в них направляющими элементами, оси которых выполнены в шаровой опоре, лопатки в дисках закреплены шарнирно, а в конусах – с возможностью их возвратно-поступательных перемещений.

Недостатком данного технического решения является то, что известными методами обеспечить герметизацию рабочих объемов двигателя очень сложно. С этим связана и проблема подачи компонентов горючей смеси в камеру сгорания. Сама камера сгорания вне рабочего объема ротора также создает проблемы по распределению раскаленных газов по рабочим объемам рабочего ротора. Это решение принято за прототип. Патент №2151312, бюл.17 20.06.2000 г.

Технический результат от использования изобретения является, более высокий КПД, чем у существующих дизелей и может превысить 70%, с удельной мощностью более высокой, чем у лучших авиационных поршневых двигателей и с рабочим ресурсом не меньше, чем у лучших ДВС вообще. Все это в основном за счет динамической системы герметизации рабочих объемов двигателя и его конструкции, позволяющей обеспечить полную герметичность всех сопряжений в рабочих объемах двигателя на протяжении всего рабочего ресурса без ее ухудшения. Что обеспечивает высокую степень раздельного сжатия топлива, (например природного газа в смеси с отработанным) и воздуха в холодных объемах компрессора со значительно меньшими энергозатратами, чем у дизелей, а отсутствие паразитных объемов повышает эффективность вытеснения газа из его объемов. Расположенные в рабочем роторе горячие камеры сгорания, производят полное и высокоскоростное сжигание топлива в присутствии катализатора, с более высокими температурой и давлением , чем у других ДВС, с совершением работы до более низких температуры и давления , за счет большего рабочего объема рабочего ротора по сравнению с компрессором, что способствует бесшумности работы двигателя. За один оборот в рабочем роторе совершается четыре рабочих хода, каждый на 180 градусов с симметричным приложением сил, дающим динамическую сбалансированность. Роторы взаимодействуют с корпусом только через подшипники качения, что наряду с отсутствием эксцентриситетов в двигателе, снижает механические потери и способствует развитию высоких оборотов, в серийном двигателе они могут быть не ниже 15 тыс. об/мин. При минимуме около 200 об/мин. И это при незначительном шуме или его отсутствии. Пропускная способность системы газораспределения также способна обеспечить указанный технический результат, как и система охлаждения и смазки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что роторный двигатель содержащий корпус снабженный двумя роторами, сообщенными между собой гантелеобразной перемычкой, с выполненными на сферических поверхностях перемычки канавками параллельно лопаткам, с установленными в канавках направляющими элементами, оси которых выполнены в шаровых опорах соосно шарнирам лопаток установленных в дисках, последние установлены с возможностью совместного с конусами вращения с разными углами и диагонально расположены в каждом роторе, с закрепленными на дисках шаровыми опорами и сферами, рабочие поверхности которых сопряжены с внешними и внутренними окружностями конусов и лопаток, с образованием рабочих объемов. На сферической поверхности перемычки рабочего ротора выполнены противоположно расположенные напорные камеры с внутренней стороны соединенные с трубопроводом с установленным в нем клапаном, а с внешней стороны установлены гильзы с юбками совпадающими по размеру с параллельными стенками камер, внешними торцами закрепленные на напорных площадках, примыкающих внешними сферическими поверхностями, к внутренним поверхностям шаровой опоры, в зоне совмещения ее окон «топлива» и «воздуха» с окнами «топлива» и «воздуха» в напорных площадках, причем каждое окно последних сообщено с соответствующим трубопроводом. Указанный технический результат достигается также тем, что каждая из двух половин дисков жестко связана со своей половиной шаровой опоры, конуса закреплены подвижно на основаниях роторов, а в креплении дисков со сферами выполнены зазоры для обеспечения радиального перемещения дисков, причем стыки в шаровых опорах и дисках расположены в объемах низкого давления, примыкающих к лопаткам. В диске рабочего ротора выполнены четыре камеры сгорания, примыкающие к шарнирам лопаток, в каналах, например, из губки карбида кремния с открытыми порами размером не более 3 мм. с возможностью для использования катализаторов, сообщенные с окнами «топлива» и «воздуха» в шаровой опоре. Выпускные окна в рабочем роторе выполнены в его диске примыкающими к лопаткам. В стыках диска в компрессоре, разделяющими объемы «топлива» и «воздуха» установлены уплотнения. На дорожках выполненных на вершинах сфер, установлены ролики, оси которых закреплены на корпусе. В компрессоре в его объемах высокого давления, расположенные в конусах примыкающими к лопаткам между шаровой опорой и сферой выполнены выпускные клапаны, сообщенные трубопроводами с напорными камерами и с окнами в напорных площадках. Объем перемычки выполнен с возможностью циркуляции агентов смазки и охлаждения. Шарнирное соединение одной из половин диска  лопаткой, содержащее отверстие с установленной в нем осью, выполненное в центре лопатки параллельно плоскости диска, в котором со стороны лопатки выполнен выступ с поверхностью сопряжения с торцом диска по радиусу от оси лопатки, по которому жестко связана, например винтами, ось лопатки, причем вдоль жесткой связи диска с осью лопатки выполнены расходящиеся от оси лопатки каналы на угол равный отклонению диска относительно лопатки. Основания роторов, с подвижно закрепленными на них конусами, содержат торцевые площадки с нагруженными на них лопатками с одной стороны и напорными камерами, выполненные в конусах – с другой. Сферы роторов выполнены нагруженными лопатками, конусами, шаровыми опорами и через последние дисками. Вращающее соединение торца перемычки с выполненными в ней концентрически расположенными каналами и крышки, упруго закрепленной на корпусе, с выполненными в ней также концентрически расположенными каналами, совпадающими с первыми.

Заявленный роторный двигатель отличается от прототипа тем, что на сферической поверхности перемычки рабочего ротора выполнены противоположно расположенные напорные камеры, с внутренней стороны соединенные с трубопроводом с установленным в нем клапаном, а с внешней стороны установлены гильзы с юбками совпадающими по размеру с параллельными стенками напорных камер, внешними торцами закрепленные на напорных площадках, примыкающих внешними сферическими поверхностями, к внутренним поверхностям шаровой опоры, в зоне совмещения ее окон «топлива» и «воздуха» в напорных площадках, причем каждое окно последних сообщено с соответствующим трубопроводом. Каждая из двух половин дисков жестко связана со своей половиной шаровой опоры, конуса закреплены подвижно на основаниях роторов, а в креплении дисков со сферами выполнены зазоры для обеспечения радиального перемещения дисков, причем стыки в шаровых опорах и дисках расположены в объемах низкого давления, примыкающих к лопаткам. В диске рабочего ротора выполнены четыре камеры сгорания, примыкающие к шарнирам лопаток, в каналах, например, из губки карбида кремния с открытыми порами размером не более 3 мм. с возможностью для использования катализаторов, сообщенные с окнами «топлива» и «воздуха» в шаровой опоре. Выпускные окна в рабочем роторе выполнены в его диске примыкающими к лопаткам. В стыках диска в компрессоре, разделяющими объ?мы "топлива" и "воздуха" установлены уплотнения. На дорожках выполненных на вершинах сфер, установлены ролики, оси которых закреплены на корпусе. В компрессоре в его объемах высокого давления расположенные в конусах, примыкающими к лопаткам между шаровой опорой и сферой выполнены выпускные клапаны, сообщенные трубопроводами с напорными камерами и с окнами в напорных площадках. Объем перемычки выполнен с возможностью циркуляции агентов смазки и охлаждения. Шарнирное соединение одной из половин диска с лопаткой, содержащее отверстие с установленной в нем осью, выполненное в центре лопатки параллельно плоскости диска, в котором со стороны лопатки выполнен выступ с поверхностью сопряжения с торцом диска по радиусу от оси лопатки, по которому жестко связана, например винтами, ось лопатки, причем вдоль жесткой связи диска с осью лопатки выполнены расходящиеся от оси лопатки каналы на угол равный отклонению диска относительно лопатки. Основания роторов, с подвижно закрепленными на них конусами, содержат торцевые площадки с нагруженными на них лопатками с одной стороны и напорными камерами, выполненные в конусах – с другой. Сферы роторов выполнены нагруженными лопатками, конусами, шаровыми опорами и через последние дисками. Содержит вращающее соединение торца перемычки с выполненными в ней концентрически расположенными каналами и крышки, упруго закрепленной на корпусе, с выполненными в ней также концентрически расположенными каналами, совпадающими с первыми.

Роторный двигатель содержащий корпус, снабженный двумя роторами, сообщенные между собой гантелеобразной перемычкой, позволяет использовать один ротор в качестве компрессора (заполнение и сжатие), а другой ротор – в качестве рабочего ротора (рабочий ход и выпуск). Такое разделение функций роторов позволяет с меньшими механическими потерями и с большей эффективностью обеспечивать заполнение и раздельное сжатие топлива и воздуха в холодном компрессоре, а рабочий ход и выпуск – в горячем рабочем роторе, совместить концы тактов сжатия в объемах топлива и воздуха в компрессоре с началом рабочего хода в рабочем роторе, с большим рабочим объемом, чем в компрессоре, совершать работу до более низкого давления и температуры газа, с незначительным или отсутствием шума при выпуске. С выполненными на сферических поверхностях перемычки канавками, параллельно лопаткам, с установленными в них направляющими элементами, оси которых выполнены в шаровых опорах соосно шарнирам лопаток установленных в дисках, позволяет давлению газа, действующему на лопатки и диски передавать образуемый крутящий момент на канавки – жестко связанные с роторами, через оси направляющих элементов и наоборот, а шарнирным соединениям лопаток с дисками герметично изолировать разделяемые дисками объемы топлива и воздуха в компрессоре и рабочие ходы от выпусков в рабочем роторе. Диски установлены с возможностью совместного с конусами вращения с разными углами и диагонально расположены в каждом роторе, с закрепленными на них шаровыми опорами и сферами, рабочие поверхности которых сопряжены с внешними и внутренними окружностями конусов и лопаток с образованием рабочих объемов, позволят посредством диагонально установленных дисков в роторах обеспечить герметичное совмещение поверхностей дисков и конусов по линиям их смыкания, герметично совместить внешние и внутренние окружности конусов и лопаток с рабочими поверхностями сфер и шаровых опор, образовать герметично разделенные диском объемы для топлива и воздуха. На сферической поверхности перемычки рабочего ротора выполнены противоположно расположенные напорные камеры, с внутренней стороны соединенные с трубопроводом, с установленным в нем клапаном, а с внешней стороны с юбками совпадающими по размеру с параллельными стенками камер, установлены гильзы, внешними торцами закрепленные на напорных площадках, примыкающих внешними сферическими поверхностями, нагруженных гильзами к внутренним поверхностям шаровой опоры, позволяет прижать половины шаровых опор к внутренним окружностям конусов и лопаток, которые сместившись к поверхностям сфер герметизируют объемы роторов, за счет давления в напорных камерах действующего на гильзы, юбки которых плотно прилегают к стенкам напорных камер и не допускают утечек воздуха, который заперт клапаном. Что позволяет на любых оборотах поддерживать герметизацию роторов. Система смазки и охлаждения позволяет уменьшить потери на трение в сопряженных притертых сферических поверхностях напорных площадок причем каждое окно последних сообщено с соответствующим трубопроводом позволяет обеспечить раздельную подачу топлива и воздуха в камеры сгорания при высоком давлении, за счет превышения площади сечения гильз над площадью в окнах в шаровой опоре и в напорных площадках, тем более, что давление в камерах фиксируется клапанами максимальным, поэтому ни при каких обстоятельствах окна в сопряжении отражать распределительную площадку не могут. Каждая из двух половин дисков жестко связана со своей половиной шаровой опоры, конуса закреплены подвижно на основаниях роторов, а в креплении дисков со сферами выполнены зазоры для обеспечения радиального перемещения дисков, позволяет использовать центробежную силу для герметизации рабочих объемов двигателя и отказаться от использования уплотнений в рабочих объемах высокого давления, что соответственно улучшает работу компрессора, снижает тепловые потери в рабочем роторе и позволяет поддерживать достаточно высокую герметичность рабочих объемов в течение всего рабочего ресурса двигателя. Стыки в шаровых опорах и дисках расположены в объемах низкого давления, примыкающие к лопаткам, позволяет за счет шарнирного крепления лопатки только на одном конце диска со стороны высокого давления, образовать стыки в объемах низкого давления, без которых невозможна герметизация объемов высокого давления, потому что нужен стык для температурной компенсации. С обеих сторон в диске рабочего ротора выполнены четыре камеры сгорания, примыкающие к шарнирам лопаток, в каналах, например, из губки карбида кремния с открытыми порами размером не более 3 мм. с возможностью использования катализаторов, сообщенные с окнами «топлива» и «воздуха» в шаровой опоре, позволяет снять проблему сообщения камеры сгорания (в аналоге)с объемами рабочего ротора, существенно повысить эффективность работы двигателя, за счет использования разных видов топлива в смеси с отработанным газом двигателя, в том числе природного газа, а также очень бедных смесей, которые могут гореть только в дожигателях поршневых двигателей, т.к. имеют более высокие начальные температуру и давление в присутствии катализатора в четырех камерах сгорания рабочего ротора. Чему способствует губка карбида кремния с содержанием в ней, например, палладия, с открытыми порами не более 3 мм., т.к. чем меньше размер пор, тем больше площадь каталитической поверхности, потому величина пор определяется только их сопротивлением принудительной продувке. Выпускные окна в рабочем роторе выполнены в его диске примыкающие к лопаткам позволяет упростить конструкцию двигателя и снизить требования к площади сечения выпускных окон, из-за принудительного удаления отработанного газа центробежной силой, что соответствует примерно турбонаддуву – только наоборот и с другого конца, но эффект тот же. В стыках диска и лопаток в компрессоре между впускными окнами «топлива» и впускными окнами «воздуха» установлены уплотнения, позволяет предотвратить смешение топлива и воздуха при впуске в объемы компрессора, за счет упругих уплотнений выполняющих роль перегородок разделяющих объемы топлива и воздуха, где давление от атмосферного и чуть ниже, которые прижаты к лопаткам с противоположной стороны от их шарниров. На дорожках расположенных на вершинах сфер установлены ролики, оси которых закреплены на корпусе позволяет упростить конструкцию двигателя, что дает возможность регулировать фазы газораспределения, производить замену подшипников, разбирать и собирать двигатель при ремонте. В объемах сжатия в компрессоре, расположенные в конусах, примыкающие к лопаткам между шаровой опорой и сферой, выполнены выпускные клапаны «топлива» и «воздуха», сообщенные трубопроводами с напорными камерами и напорными площадками, позволяет обеспечить полное вытеснение газа из объемов компрессора при любом необходимом давлении, какое может обеспечить прочность конструкции компрессора, за счет отсутствия в нем паразитных объемов способных повлиять на эффективность вытеснения газов из его объемов. Что позволяет производить давление выше того, что развивается в камерах сгорания рабочего ротора в начале рабочего хода. Объем перемычки выполнен с возможностью циркуляции в двигателе агентов смазки и охлаждения, позволяет из-за высокого давления в трубопроводах (сечение их невелико), использовать объем перемычки для циркуляции агентов смазки и охлаждения, через каналы и шарниры в дисках за счет центробежной силы, в корпус двигателя в качестве теплообменника-радиатора и опять в перемычку, при этом обслужить все трущиеся и греющиеся поверхности, все внешние и внутренние поверхности сфер шаровых опор и лопаток. Концы последних также создают вихревой поток газо-капельной смеси для охлаждения и смазки. Шарнирное соединение одной из половин диска с лопаткой, содержащее отверстие с установленной в нем осью, выполненное в центре лопатки параллельно плоскости диска, в котором со стороны лопатки выполнен выступ с поверхностью сопряжения с торцом диска по радиусу от оси лопатки, по которому жестко связана, например винтами, ось лопатки, причем вдоль жесткой связи диска с осью лопатки выполнены расходящиеся от оси лопатки каналы на угол равный отклонению диска относительно лопатки, позволяет более прочно и герметично , с возможностью охлаждения и смазки шарнира закрепить лопатку используя только один конец диска, так как другой необходим для стыка, а также полностью устранить паразитные объемы в шарнирах, что позволяет компрессору производить необходимое высокое давление газов для высокоэффективной работы двигателя. Основание роторов, с подвижно закрепленными на них конусами, содержат торцевые площадки с нагруженными на них лопатками с одной стороны и напорными камерами, выполненные в конусах – с другой. позволяет, давление газа действующего на лопатки роторов нагрузить, как через канавки направляющих элементов – через их оси, так и непосредственно на основы роторов через их торцевые площадки, на которые также с противоположной стороны от лопаток, действует давление гильз напорных камер, дающих возможность подвижно закрепленные конуса на основаниях роторов держать постоянно прижатыми к лопаткам с другой стороны торцевых площадок, где уплотнений нет – в объемах высокого давления. Сферы роторов выполненные нагруженными лопатками, конусами, напорными камерами компрессора и рабочего ротора, шаровыми опорами и через последние дисками, позволяет, обеспечить динамическую герметизацию рабочих объемов в роторах двигателя, за счет действия напорных камер и центробежной силы. Вращающееся соединение торца перемычки с выполненными в ней концентрически расположенными каналами «воздуха», «топлива», «масла» и крышки, упруго закрепленной на корпусе, с выполненными в ней также концентрически расположенными каналами, совпадающими с первыми позволяет, производить раздельную подачу топлива, воздуха и масла в рабочие объемы двигателя и в его систему смазки и охлаждения, с пропускной способностью до 30 тыс. об/мин., с герметичным совмещением концентрических стыков между компонентами, на весь рабочий ресурс двигателя за счет незначительной величины трения и упругого прижима крышки по мере износа ее трущихся поверхностей, а также значительно уменьшить объем выпуска отработанных газов и их токсичность в атмосферу за счет направления их на разбавление топлива и воздуха, и тем самым, устанавливать нужные соотношения топлива и кислорода, исключая появление окислов азота даже при более высокой температуре в камерах сгорания, чем у других ДВС.

Продольный разрез

Продольный разрез шарнира лопатки и диска рабочего ротора

Поперечный разрез рабочего ротора

Продольный разрез распределительной площадки

Поперечный разрез компрессора в объеме топлива

Поперечный разрез выпускного клапана компрессора

Поперечный разрез компрессора в объеме воздуха

Поперечный разрез шарнира лопатки и диска компрессора

Вид со стороны подвода трубки к напорной камере в конусе

Разрез напорной камеры в конусе

Двигатель содержащий корпус 1, снабженный двумя роторами компрессора 2 и рабочего ротора 3, сообщенными между собой гантелеобразной перемычкой 4, с выполненными на сферических поверхностях 5 перемычки канавками 6 параллельно лопаткам 7,8 – в компрессоре и 9,10 – в рабочем роторе , с установленными в них направляющими элементами 11, оси 12 которых выполнены в шаровых опорах 13 соосно шарнирам 14 лопаток установленных в дисках 15, последние установлены с возможностью совместного с конусами 16 вращения с разными углами и диагонально расположены в каждом роторе, с закрепленными на них шаровыми опорами и сферами 17, рабочие поверхности которых сопряжены с внешними и внутренними окружностями рабочие поверхности которых сопряжены с внешними и внутренними окружностями конусов и лопаток, с образованием рабочих объемов 18, 19 сжатия топлива и 20,21 сжатия воздуха в компрессоре 2, а также объемов 22, 23, 24 и 25 расширения в рабочем роторе 3. На сферической поверхности 5 перемычки рабочего ротора выполнены противоположно расположенные напорные камеры 26, с внутренней стороны соединенные с трубопроводом 27, с установленным в нем клапаном 28, а с внешней стороны, с юбками 29 совпадающими по размеру с параллельными стенками напорных камер, установлены гильзы 30, внешними торцами закрепленные на напорных площадках 31, примыкающие внешними сферическими поверхностями 32, нагруженных гильзами к внутренним поверхностям шаровой опоры, в зоне совмещения ее окон 33, 34, 35, 36 «топлива» и окон 37, 38, 39, 40 «воздуха» с окнами 41 «топлива» и окон 42 «воздуха» в напорных площадках, причем каждое окно последних сообщено с соответствующим трубопроводом 43 «топлива» и 44 «воздуха». Каждая из двух половин дисков жестко связана со своей половиной шаровой опоры, конуса закреплены подвижно винтами 45 на основаниях 46 роторов 2 и 3, а в креплении дисков со сферами выполнены зазоры 47 для обеспечения радиального перемещения дисков, причем стыки 48 в шаровых опорах и дисках расположены в объемах 49 низкого давления, примыкающие к лопаткам. С обеих сторон в диске рабочего ротора выполнены четыре камеры сгорания 50,51,52 и 53, примыкающие к шарнирам лопаток 9 и 10, в каналах, например, из губки карбида кремния с открытыми порами размером не более 3 мм. с возможностью использования катализаторов, сообщенные с окнами «топлива» и «воздуха» в шаровой опоре. Выпускные окна 54 в рабочем роторе выполнены в его диске примыкающие к лопаткам и сообщенные с выпускным коллектором 55. В стыках диска и лопаток в компрессоре между впускными окнами 56 и 57 «топлива» и впускными окнами 58 и 59 «воздуха» установлены уплотнения 60. На дорожках 61 выполненных на вершинах сфер, установлены ролики 62, оси 63 которых закреплены на корпусе 1. В объемах сжатия 18,19,20,21 в компрессоре, расположенные в конусах 16, примыкающие к лопаткам 7 и 8 между шаровой опорой и сферой, выполнены выпускные клапаны 64 «топлива» и 65 «воздуха», сообщенные трубопроводами 43 и 44 с напорными камерами и напорными площадками. Объем перемычки 66 выполнен с возможностью циркуляции в двигателе агентов смазки и охлаждения. Шарнирное соединение одной из половин диска с лопаткой, содержащее отверстие с установленной в нем осью 67 , выполненное в центре лопатки параллельно плоскости диска, в котором со стороны лопатки выполнен выступ 68 с поверхностью сопряжения с торцом диска 15 по радиусу от оси лопатки, по которому жестко связана, например винтами 69, ось лопатки, причем вдоль жесткой связи диска с осью лопатки выполнены расходящиеся от оси лопатки каналы 70 на угол равный отклонению диска относительно лопатки. Основания 46 роторов 2 и 3, с подвижно закрепленными на них конусами винтами 45 в зазорах 71, содержат торцевые площадки 72 с нагруженными на них лопатками с одной стороны и напорными камерами 73, выполненные в конусах – с другой. Сферы роторов выполненные нагруженными лопатками, конусами, напорными камерами компрессора и рабочего ротора, шаровыми опорами и через последние дисками. Вращающееся соединение 74 торца перемычки с выполненными в ней концентрически расположенными каналами 75 «воздуха», 76 «топлива», 77 «масла» и крышки 78, упруго закрепленной на корпусе, с выполненными в ней также концентрически расположенными каналами, совпадающими с первыми. Диски с конусами сопряжены по линиям смыкания 79. В дисках выполнены радиальные каналы 80 для смазки и охлаждения двигателя. Впускные окна в компрессоре сообщены с каналами в перемычке впускным коллектором 81.

Роторный двигатель работает следующим образом. При запуске двигателя, первый оборот ротора компрессора 2 приходится на заполнение по трубопроводам 42 напорных камер 26 в рабочем роторе 3 и в компрессоре 2, а также напорных камер 73 в конусах 16, для создания необходимой герметичности рабочих объемов двигателя. При этом находящийся воздух в топливных объемах 18 и 19 компрессора и трубопроводах 43 вытесняется в камеры сгорания 50, 51, 52 и 53 рабочего ротора. При этом топливные объемы 18 и 19 заполняются топливом при некотором разрежении, т.к. отработанных газов на их разбавление пока нет. Далее лопатки 7 и 8 компрессора, выпускное окно 56 «топлива» и впускное окно 59 «воздуха» проходя линии смыкани 79 образуют объемы 49 низкого давления и разрежение в них, которое заполняет эти объемы топливом и воздухом по мере удаления лопаток 7 и 8 от линий смыкания на 270 градусов, затем при медленном вращении еще на 90 градусов заполненные объемы уменьшаются, а воздух и топливо вытесняются обратно через впускные окна 56 и 59 во впускной коллектор 81 до момента прохода этими окнами линий смыкания, после чего образуются объемы сжатия 18 «топлива» и 21 «воздуха» и в них запирается половина рабочего объема компрессора. Но при быстром вращении происходит эффект турбонаддува, т.к. инерционность «воздуха» и «топлива» не позволяет мгновенно изменить направление движения на противоположное и покинуть занятые объемы через впускные окна.

После запирания объемов 18 и 21 начинается их сжатие лопатками 7, 8 и диском 15, при этом выпускные клапаны 61 в объеме 18, выпускные клапаны 64 в объеме 21 открываются давлением и повышают давление в трубопроводах 43 «топлива» и 44 «воздуха». По достижении необходимой степени сжатия окна 39 «воздуха» и 35 «топлива» в шаровой опоре 13, обслуживающие камеру сгорания 52 и окна 38 «воздуха» и 34 «топлива», обслуживающие камеру сгорания 51, совмещаются с окнами 41 «топлива» и 42 «воздуха» в напорных площадках 31. При этом лопатки 9 и 10 и камеры сгорания 51 и 52 прошли линии смыкания 79 и образовали рабочие объемы 23 и 24 расширения, с воспламенением компонентов горючей смеси в камерах сгорания 51 и 52 при их смешивании от сжатия. Далее - при нагреве камер сгорания и катализаторов ни вид топлива, ни степень сжатия не будут иметь значения для воспламенения. В то время, как в рабочих объемах 23 и 24 завершился рабочий ход с поворотом роторов 2 и 3 на 180 градусов, в объемах 19 «топлива» и 20 «воздуха» в компрессоре завершилось сжатие, окна 33 «топлива» и 37 «воздуха», обслуживающие камеру сгорания 50 и окна 36 «топлива» и 40 «воздуха», обслуживающие камеру сгорания 53 совместились с окнами 41 «топлива» и 42 «воздуха» в напорных площадках 31. Одновременно с началом нового рабочего хода во вновь образованных рабочих объемах 22 и 25 рабочего ротора производится выпуск из объемов 49 низкого давления полностью прореагировавших между собой топлива и кислорода в присутствии катализатора газов, расширившихся , совершая работу, на больший объем, чем объем их сжатия в компрессоре, с принудительным удалением центробежной силой – с эффектом турбоотдува, в окна 54, в диске 15 рабочего ротора и в выпускной коллектор 55 в корпусе. Далее все повторяется.

Охлаждение и смазка двигателя осуществляется за счет радиальных каналов 80 в дисках, по которым поступает смазка и охлаждение к шарнирам 14, а также к направляющим элементам 11, за счет центробежной силы, затем поступает в корпус, где за счет вихревых потоков от торцов лопаток 7, 8 ,9 и 10 выступающих из конусов 16 и от вращения самих роторов образуется газо-капельно-масляная смесь, которая проникает во все трущиеся и греющиеся сопряжения и поверхности, при этом корпус служит теплообменником-радиатором, с выполненными ребрами нагрева внутри корпуса и с ребрами охлаждения – снаружи.