Поршневая машина с вращающимся цилиндром
Машина предназначена для использования в энергетике преимущественно в качестве двигателя внутреннего сгорания. Машина содержит, по меньшей мере, один состоящий из цилиндра и поршня блок, который расположен в роторном корпусе с возможностью вращения вокруг его оси вращения. При этом на роторный корпус передается крутящий момент, а линия действия поршня лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения роторного корпуса, и направлена эксцентрично к оси вращения роторного корпуса, и проходит по прямой линии. Изобретение обеспечивает повышение КПД, упрощение изготовления, монтажа и управления, плавность хода и уменьшение выброса вредных веществ. 14 з.п. ф-лы, 11 ил.
Изобретение относится к поршневой машине с вращающимся цилиндром для создания крутящего момента. Поршневая машина предпочтительно работает как двигатель внутреннего сгорания; однако ее можно, за счет незначительного конструктивного изменения, а также расположения каналов управления, использовать также в области гидравлики. Кроме того, возможно применение также в соответствии с решением, согласно изобретению, в качестве гидравлического насоса, насоса высокого давления, а также в качестве вакуумного насоса.
Наиболее известным представителем роторно-поршневой машины в области двигателей внутреннего сгорания является двигатель Ванкеля. Он имеет вращающийся поршень трохоидной формы, образующий рабочее пространство. Он движется с помощью внутреннего зубчатого зацепления и кулачковой дисковой опоры вала двигателя во внутреннем пространстве эпитрохоиды. Грани и боковые поверхности поршня имеют уплотнительные элементы. Газообмен осуществляется за счет открывания и закрывания прорезей в окружающем поршень корпусе. Двигатель Ванкеля характеризуется своей безупречной балансировкой, своей компактной конструкцией вследствие отказа от привода клапанов. Однако недостатками являются небольшой крутящий момент, а также неблагоприятная форма камеры сгорания с большой длиной струи топлива, возникающий при этом большой выброс углеводородов, увеличенный по сравнению с другими поршневыми двигателями расход топлива и масла, а также высокая стоимость изготовления. Кроме того, на основании принципа действия отсутствует непосредственная возможность реализации дизельного двигателя с принципом действия Ванкеля.
Задачей данного изобретения является создание поршневой машины, общий коэффициент полезного действия которой выше, чем у поршневых машин, согласно уровню техники, в которой улучшено отношение массы к мощности, управление которой конструктивно выполнено более простым, стоимость изготовления и монтажа которой меньше, плавность хода которой оптимирована, а также уменьшен выброс вредных веществ.
Эта задача решена с помощью поршневой машины с признаками, согласно пункту 1 формулы изобретения. Другие предпочтительные варианты выполнения и модификации указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Поршневая машина с вращающимися цилиндрами имеет на один блок цилиндра по меньшей мере один поршень, который расположен в роторном корпусе, при этом во внутренней зоне роторного корпуса имеется пространство, которое имеет контур, вокруг которого расположен поршень с возможностью движения на 360° во вращающемся роторном корпусе, при этом поршень соединен с контуром так, что контур обуславливает возвратно-поступательное движение поршня при движении блока цилиндра вокруг контура. За счет такого построения поршневой машины создается полностью новый принцип действия: в то время как до настоящего времени в обычных поршневых двигателях корпус цилиндра был неподвижным, а поршень отдавал крутящий момент через вращающийся коленвал, то в данном случае поршень расположен с возможностью вращения с роторным корпусом на 360° вокруг контура. В данном случае сгорание горючей среды в камере сгорания также обеспечивает увеличение давления на поршень. При этом действующее на поршень давление действует также на роторный корпус. Поскольку он расположен с возможностью вращения вокруг контура, а поршень в свою очередь соединен с контуром, то возникает крутящий момент вокруг контура, что приводит к вращательному движению роторного корпуса вокруг контура. Одновременно за счет соединения контура с поршнем происходит управление возвратно-поступательным движением поршня. Это управление реализует рабочие такты поршневой машины, такие как всасывание, сжатие, сгорание и выпуск. При этом предпочтительно используется четырехтактный принцип. Однако при соответствующем выполнении существует также возможность применения двухтактного принципа. Создаваемый крутящий момент зависит, в частности, от количества поршней, расположенных в роторном корпусе. Это может зависеть, с одной стороны, от величины ротора, а с другой стороны, можно учитывать также возникающие колебания. В частности, можно соединять друг с другом несколько роторных корпусов (по типу звездообразного двигателя), так что возникает ряд расположенных друг за другом поршней, которые могут вместе с роторным корпусом двигаться вокруг контура. Роторный корпус предпочтительно имеет три, четыре или более поршней.
Согласно изобретению линия действия поршня блока цилиндра (направление хода поршня) расположена в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, и лежит в этой плоскости так, что линия действия проходит эксцентрично к оси вращения ротора и по прямой линии.
Контур предпочтительно выполнен так, что во время рабочего такта ограничиваемая поршнем камера сгорания по меньшей мере по существу является изохорной, т.е. имеет постоянный объем. Камера сгорания не изменяется в течение определенного периода времени рабочего такта. За счет этого обеспечивается создание особенно большого крутящего момента вокруг контура, поскольку сама камера сгорания по существу остается постоянной. За счет этого происходит, в противоположность другим поршневым двигателям, полное сгорание горючего газа в камере сгорания, а с другой стороны, возникающую во время сгорания температуру и тем самым повышение давления в камере сгорания можно использовать длительное время. Такой период времени камеры сгорания регулируется скоростью вращения. Решающее значение имеет также длина рабочего такта. Она предпочтительно составляет по меньшей мере 90°, в частности, однако, свыше 100° поворота вокруг контура. При соответствующем согласовании выпуска отработавшего газа удается реализовать по существу изохорную камеру сгорания с длиной около 120° и более.
Ротор предпочтительно имеет четыре блока цилиндра, которые расположены со смещением относительно друг друга на 90°. Существует возможность того, что во время рабочего хода поршень на основании формы контура, который предпочтительно является замкнутым, выполняет возвратно-поступательное движение. Это целесообразно, например, тогда, когда за счет этого обеспечивается улучшенное прохождение в камере сгорания и тем самым сгорание. Возвратно-поступательное движение, которое управляется контуром, предпочтительно является таким, что ход всасывания значительно длиннее хода выпуска. Контур для этой поршневой машины предпочтительно имеет такую форму пути, которая имеет первый, второй, третий и четвертый участок, которые являются все выпуклыми, все вогнутыми или все линейными. Таким образом, соответствующие такты хода поршня являются равномерными. В частности, участки соединены друг с другом так, что создается по существу равномерное (отрицательное или положительное) ускорение поршня, так что нагрузка на материал сохраняется небольшой. В частности, в зоне мертвых точек контур выполнен так, что возникающие удельные давления вследствие соединения поршней и контура остаются по возможности малыми. Выполнение контура предусматривает, что он реализуется в кулачковом диске. Кулачковый диск имеет канавку. Канавка выполнена так, что она задает контур, вдоль которого перемещается поршень в соответствии с соединением. Контур/прохождение кривых предпочтительно выполнены так, что при полном обороте блоков цилиндра они выполняют по меньшей мере один рабочий такт.
Поршневая машина предпочтительно имеет кривошипный диск, а также первый и второй кулачковый диск. Оба кулачковых диска расположены напротив кривошипного кулачка и имеют соответствующий, совпадающий друг с другом, контур. Между обоими кулачковыми дисками и кривошипным диском проходит шатун поршня через соответствующую направляющую в канавках. Через шатун передается задаваемое контуром управляемое движение на поршень, который выполняет свое возвратно-поступательное движение вдоль пространства цилиндра и его направляющей.
Поршень предпочтительно направляется с помощью опирающегося на игольчатые подшипники соединительного вала в неподвижной кулачковой передаче. При этом соединительный вал предпочтительно выполнен в виде цельной детали, например литой или кованой. Однако, в другом варианте выполнения, он может состоять из отдельных деталей, собранных в единое целое. Кулачковая передача образована обоими кулачковыми дисками и кривошипными дисками. Беззазорное прохождение поршня обеспечивается смещением обеих боковых сторон криволинейной канавки. Каждая боковая сторона имеет собственный ролик, который находится на соединительном валу. За счет этого ролики движутся с противоположным направлением вращения и постоянно удерживаются в соприкосновении.
Модификация поршневой машины предусматривает, что на поршне расположена направляющая часть отдельно от уплотнительной части поршня. Уплотнительная часть и направляющая часть перемещаются в соединении с поршнем. Выполненное с возможностью совместного перемещения соединение служит для того, чтобы передавать действующую на поршень силу на роторный корпус. Направляющая часть расположена вдоль отдельной направляющей в роторном корпусе. Направляющая часть находится предпочтительно по меньшей мере частично в роторном корпусе. Уплотнительная часть, образованная, например, над поршнем его поршневыми кольцами и примыкающим к ней шатуном, образует тем самым первое плечо, в то время как направляющая часть образует отдельное второе плечо. Эти оба плеча предпочтительно снова соединяются друг с другом на шатунном подшипнике. За счет этого уплотнительная и направляющая часть образуют рычажную систему. Рычажное плечо направляющей части предпочтительно короче рычажного плеча уплотнительной части. За счет этого удается получать на шатунном подшипнике, на котором закреплены оба плеча, особенно большой крутящий момент на роторном корпусе. В частности, поршень с уплотнительной и направляющей частью так согласован с контуром, что направляющая часть и уплотнительная часть могут выполнять соответствующее возвратно-поступательное движение вдоль прямых линий в роторном корпусе. Это обеспечивается, в частности, направляющей частью для передачи воздействующей на поршень силы давления на роторный корпус. При этом возвратно-поступательное движение направляющей части предпочтительно выполняется с помощью подшипника, в частности подшипника качения. Он выполнен, в частности, так, что обладает способностью постоянно передавать силу давления с направляющей части на роторный корпус. Таким образом, уплотнительная часть и направляющая часть образуют рычажную систему для передачи воздействующей на поршень силы давления через направляющую часть на роторный корпус. Поршень с уплотнительной частью и направляющей частью может быть выполнен в виде одной детали, например литой или кованной. Однако в другом варианте выполнения он может состоять из нескольких деталей, собранных в одно целое. Ось направляющей части пересекает ось вращения ротора под прямым углом.
Камера сгорания с ограничивающим поршнем предпочтительно выполнена так, что поддерживается вращение смеси в камере сгорания в процессе всасывания. Оно происходит, например, за счет расположенного примерно центрально симметрично, выполненного в форме конуса дна поршня, которое усиливает завихрение за счет создания круговой кольцевой зоны смятия. Создается предпочтительно вихревое впускное движение заряда для создания завихрения в камере сгорания с помощью наклонного прохождения потока в камеру сгорания. Для этого впускной канал расположен, например, наклонно к продольной оси поршня (оси хода).
Кроме того, поршневая машина имеет роторный корпус, который имеет ротационно-симметричный наружный кожух. С одной стороны, это имеет то преимущество, что за счет этого устраняется дисбаланс роторного корпуса. Поэтому является предпочтительным, чтобы соответствующие друг другу детали поршневой машины были расположены противоположно друг другу и тем самым попарно для исключения соответствующих моментов дисбаланса при высокой частоте вращения, например от 5000 до 8000 мин-1, в частности 12000 мин-1 (оборотов в минуту). Предпочтительным является такое расположение деталей, при котором силы, создаваемые за счет вращения роторного корпуса, компенсируют друг друга. С другой стороны, ротационно-симметричный наружный кожух обеспечивает возможность выполнения подачи газа в камеры сгорания в роторном корпусе и отвод газа из них особенно герметичными. В одном варианте выполнения поршневой машины на наружном кожухе роторного корпуса предусмотрена вращающаяся вместе с ним система газообмена и уплотнения, поверхность которой в радиальном направлении по меньшей мере частично закрывает наружный кожух роторного корпуса, т.е. прилегает с герметизацией. Если роторный корпус расположен в корпусе кожуха, то вращающаяся система газообмена и уплотнения способна обеспечивать уплотнение между корпусом кожуха и роторным корпусом.
Роторный корпус предпочтительно расположен в корпусе кожуха, который имеет по меньшей мере вогнутую поверхность, которая расположена противоположно наружному кожуху роторного корпуса. Система газообмена и уплотнения выполнена так, что, с одной стороны, камера или камеры сгорания в роторном корпусе во время соответствующих тактов/фаз всасывания, сжатия, сгорания и выпуска соответствующим образом уплотнены. С другой стороны, система уплотнения обеспечивает через соответствующие подводящие и отводящие каналы входящего и выходящего газа возможно полное заполнение, соответственно, опустошение камеры сгорания. Для этого, например, в корпусе кожуха предусмотрены соответствующие каналы управления или соответствующие отверстия, по которым осуществляется заполнение, соответственно, опустошение камеры сгорания. Каналы управления могут быть расположены вдоль поверхности роторного корпуса, противоположной наружному кожуху, или же по сторонам вдоль боковой поверхности роторного корпуса. Это относится также к системе газообмена и уплотнения. На основании вращающейся системы газообмена и уплотнения каналы управления предпочтительно в виде прорезей могут быть относительно длинными, например, проходить по 10-30° угла поворота над выпускным каналом или, например, до 120° угла поворота над впускным каналом или более; при этом впускной канал предпочтительно значительно длиннее выпускного канала. Глубина, а также ширина каналов управления и расстояние между ними зависят от величины поршневой машины. Каналы управления можно соответствующим образом согласовывать с условиями входа потоков, а также с соответствующими давлениями на входе и выходе.
Система газообмена и уплотнения предпочтительно имеет находящийся под давлением, подвижный в радиальном направлении и предпочтительно установленный с возможностью вращения элемент скольжения, который расположен эксцентрично на наружном кожухе роторного корпуса. Этот элемент скольжения удерживается, например, в канавке, которая расположена эксцентрично на наружном кожухе роторного корпуса. Элемент скольжения, который предпочтительно опирается на подшипник качения, уплотняет роторное пространство от противоположного пространства кожуха. Для этого опирающееся на подшипник качения кольцо скольжения предпочтительно имеет также поверхность, соответствующую поверхности противоположно лежащего корпуса кожуха. Она предпочтительно имеет форму шара. Кроме того, кольцо скольжения имеет по меньшей мере один уплотнительный выступ, предпочтительно два уплотнительных выступа. Уплотнительный выступ касается корпуса кожуха и тем самым выполняет уплотнительное действие. За счет этого даже при переполнении канала зажигания с расположенной в нем свечой зажигания обеспечивается герметичность системы. При расположении, например, двух уплотнительных выступов на круговом кольце скольжения первый уплотнительный выступ окружает второй уплотнительный выступ. Оба уплотнительных выступа расположены по окружности внутри друг друга. Кольцо скольжения предпочтительно выполняет наряду с радиальным перемещением также осевое перемещение. Осевое перемещение является осевым движением вращения. Для этого кольцо скольжения расположено эксцентрично и относительно поверхности корпуса кожуха так, что он создает движение вращения кольца скольжения. Движение вращения имеет, например, то преимущество, что на основании его возможно присутствующие посторонние тела транспортируются на основе радиальной силы наружу и тем самым могут быть удалены с пути движения.
Для обеспечения возможности снятия крутящего момента с роторного корпуса на роторном корпусе предпочтительно устанавливается на фланце выходная часть. Это осуществляется, например, с помощью передаточного механизма, предпочтительно с помощью планетарной передачи. За счет этого можно увеличивать, а также уменьшать частоту вращения. Особенная плавность хода обеспечивается тогда, когда наряду с одной поршневой машиной на одном валу дополнительно расположена последовательно друг за другом по меньшей мере одна другая поршневая машина. Например, за счет этого возможно, что первая поршневая машина относительно второй поршневой машины смещена относительно фазы участка рабочего такта на 180°. За счет этого при одновременном зажигании первой и второй поршневой машины улучшается плавность хода. В другой модификации предусматривается, что несколько расположенных на одном валу или отдельно друг от друга присутствующих поршневых машин можно по отдельности подключать и отключать. Также существует возможность пропуска зажигания одной поршневой машины для одного цилиндра. Это возможно, например, при применении поршневой машины в режиме принудительного холостого хода для экономии топлива, как это известно для автомобильных двигателей. В другом варианте выполнения могут быть предусмотрены изменяемые входные и выходные отверстия для подачи и выпуска подлежащей сжиганию среды, а также, возможно, подводимого воздуха. Это изменение можно выполнять, например, с помощью дросселирующего поперечного сечения. Дросселирующим поперечным сечением управляют или регулируют его в соответствии с требуемой мощностью, предпочтительно через систему управления двигателем.
Для обеспечения возможно свободного от трения хода поршней и других подвижных деталей поршневая машина имеет не зависимую от положения установки поршневой машины, т.е. не зависимую от положения, систему смазки. Смазочная система выполнена в виде не зависимой от положения циркуляционной смазочной системы. При этом масло всасывается из масляного кольца с помощью зубчатого кольцевого насоса. Ограничительный клапан внутри корпуса насоса ограничивает давление масла и направляет излишнее масло обратно во всасывающий канал насоса. Из напорного канала масло через масляный фильтр подается в форсунки для разбрызгивания масла. Из них смазочное масло попадает в роторный корпус. Роторный корпус имеет несколько вращающихся вместе с ним смазочных каналов. Они распределяют смазочное масло в соответствующие места смазки. На основании центробежных сил смазочное средство, как правило масло, выдавливается наружу, так что смазка подвижных частей предпочтительно происходит изнутри роторного корпуса наружу. Таким образом, можно использовать для других целей скорость вращения поршневой машины. Обратный поток масла осуществляется через роторный корпус, который имеет несколько вращающихся вместе с ним центробежных каналов. Центробежная сила выдавливает смазочное масло через центробежные каналы наружу. Масло выбрасывается на противоположное отверстие масляного кольца, скапывает и попадает в закрытую часть масляного кольца. Оттуда оно снова подается в контур смазки. Этот процесс постоянно повторяется для обеспечения надежной, не зависимой от положения смазки. Масляное кольцо предпочтительно выполнено с возможностью поворота на 360°, опирается на ролики и расположено на переднем корпусе кожуха. Герметизацию масляного кольца от канала всасывания обеспечивают два уплотнительных кольца, которые неподвижно соединены с корпусом кожуха. Герметизацию противоположной каналу всасывания стороны выполняет снабженное пружиной сжатия, подвижное в осевом направлении уплотнительное кольцо, которое постоянно прижимает масляное кольцо. Корпус кожуха имеет отверстия на периметре, через которые отбрасываемое масло попадает в отверстие масляного кольца. Масляное кольцо разделено на две части, при этом первый корпус масляного кольца соединен со вторым концевым корпусом масляного кольца. Однако масляное кольцо может состоять также из одной части, например из литой части. В масляном кольце расположен поплавковый игольчатый клапан, при этом излишнее масло через поплавковый игольчатый клапан и находящиеся в корпусе кожуха отверстия для отвода масла снова подается в контур смазки. Величина объема закрытой части масляного кольца должна быть меньше, максимально равна величине объема половины отверстия масляного кольца. За счет этого предотвращается ненужный избыток масла и минимизируются потери всех видов. Для контроля за уровнем масл, на масляном кольце, а также на крышке масляного кольца расположены смотровые окна с маркировкой. Сам уровень масла регулируют с помощью расположенной в масляном кольце резьбовой пробки залива и слива масла.
Поршневой двигатель согласно изобретению обеспечивает преобразование содержащейся в горючей среде энергии в механическую энергию. Среда выделяет за счет сгорания энергию в камере сгорания, в которой расположен подвижный поршень, через который возникающая при сгорании энергия давления преобразуется в механическую энергию. Энергия давления создает крутящий момент вокруг неподвижной оси, который приводит к вращению камеры сгорания вместе с пространством сгорания и поршнем вокруг неподвижной оси, при этом через это вращение отводится механическая энергия. Этот принцип действия имеет то преимущество, что можно использовать круговое движение, соответственно круговое ускорение с длинным рычажным плечом, за счет чего возникают большие крутящие моменты вокруг неподвижной оси.
На чертежах показан пример выполнения поршневой машины согласно изобретению. На них детально показано, как происходит преобразование содержащейся в горючей среде энергии в механическую энергию с помощью поршневой машины согласно изобретению. На чертежах изображено:
фиг.1 - разрез поршневой машины на виде спереди (разрез по линии А-В на фиг.2);
фиг.2 - поршневая машина, согласно фиг.1, на виде сбоку;
фиг.3 - направляемый по контуру поршень с уплотнительной частью и направляющей частью;
фиг.4 - контур и направляющая поршня вдоль контура на виде сбоку;
фиг.5 - система газообмена и уплотнения поршневой машины, согласно фиг.2;
фиг.6 - уплотнение ротора системы газообмена и уплотнения, согласно фиг.5;
фиг.7 - уплотнительное тело системы газообмена и уплотнения, согласно фиг.5;
фиг.8 - уплотнительная планка системы газообмена и уплотнения, согласно фиг.5;
фиг.9 - ленточная пружина системы газообмена и уплотнения, согласно фиг.5;
фиг.10 - масляное кольцо системы смазки, согласно фиг.2;
фиг.11 - схема системы из множества поршневых машин.
На фиг.1 показана поршневая машина 1. Она имеет первый поршень 2, второй поршень 3, третий поршень 4 и четвертый поршень 5. Поршни 2, 3, 4, 5 расположены со сдвигом на 90° в роторном корпусе 6 поршневой машины 1. Во внутренней зоне роторного корпуса 6 имеется пространство 7. В пространстве 7 расположена криволинейная направляющая, соответственно, контур 8. Поршни 2, 3, 4, 5 выполняют соответствующее возвратно-поступательное движение, обозначенное двойной стрелкой. Поршень 2, 3, 4, 5 двигается вдоль первой прямой направляющей 9. Первая направляющая 9 установлена в виде блока цилиндра в роторном корпусе 6. Поршень 2, 3, 4, 5 имеет дно поршня с конусообразной насадкой 10, которая расположена симметрично по центру (центрально). Насадка 10 задает геометрическую форму камеры сгорания. Показанная конусная форма насадки 10 использует впускное вихревое движение входящего потока смеси топлива с воздухом в процессе всасывания для обеспечения лучшего завихрения и тем самым смешивания. За счет этого улучшается последующее сгорание. Конусообразная насадка 10 для образования камеры сгорания может быть заменена также другой насадкой, при этом ее геометрическая форма зависит от типа подачи подлежащей сжиганию среды, т.е. топлива. Например, можно применять различные способы впрыска, как это типично для двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси и для дизельных двигателей. Сюда относится процесс струйного смесеобразования с форсункой с 6-8 отверстиями, как это известно для медленно вращающихся больших дизельных двигателей. Можно использовать также форсунки с 3-5 отверстиями, при этом непосредственный впрыск проходящего к соответствующим поршням 2, 3, 4, 5 воздуха, необходимого для сгорания, в виде завихренного потока обеспечивает образование смеси за счет соответствующего выполнения впускного органа. Также существует возможность осуществлять впрыск топлива на стенку камеры сгорания через эксцентрично расположенную форсунку с одним отверстием в ваннообразной камере сгорания. Наряду с процессами непосредственного впрыска можно использовать также процессы сгорания с вспомогательной камерой, такие как, например, вихрекамерное смесеобразование или предкамерное смесеобразование. При соответствующем выполнении поршневой машины 1 обеспечивается также послойное распределение топлива в заряде, в то время как в остальной зоне камеры сгорания имеется обедненная смесь.
Поршневую машину 1 можно использовать также в качестве многотопливного двигателя внутреннего сгорания. На основании высокой степени сжатия поршневой машины 1, которая, например, может принимать значения от ε=14 до ε=25 и выше, можно использовать топливо разного качества без вреда для двигателя. При этом используется, например, внутреннее образование смеси, причем для поддержки зажигания впрыскиваемая непосредственно в камеру сгорания дополнительная струя топлива в количестве 5-10% от количества топлива при полной нагрузке обеспечивает воспламенение. В последнем случае можно использовать также наружное образование смеси. Таким образом, поршневую машину 1 можно использовать с различным топливом. Сюда относится наряду с обычным бензином или дизельным топливом также спирт или газ, в частности водород. Необходимые для соответствующего процесса сгорания детали расположены в неизображенном корпусе кожуха, в котором находится роторный корпус 6.
Наряду с различными процессами сгорания работу поршневой машины 1 можно улучшить также с помощью различных способов наддува. Для этого пригоден динамический наддув, резонансный наддув или переключаемые системы всасывания, в которых длину трубы всасывания можно изменять в зависимости от частоты вращения посредством открывания или закрывания заслонок. Наряду с применением этих систем наддува, в которых используются динамические характеристики всасываемого воздуха (колебания воздушного столба), можно использовать также механические системы наддува, такие как, например, вытеснительные компрессоры в поршневом, соответственно, многосекционном или разветвленном исполнении. Можно применять также газотурбинный наддув, при этом используемая турбина, работающая на отработавших газах, может включаться и выключаться в зависимости от частоты вращения поршневой машины 1. Наряду с газотурбинным наддувом возможно использование наддува с волновыми обменниками давления с нагнетателем с волновыми обменниками давления. Соответствующий наддув поддерживается дополнительно применением охлаждения воздуха наддува для поршневой машины 1. За счет этого обеспечивается еще более высокая степень сжатия. Для этого соответствующий нагнетатель соединяется, например, непосредственно или опосредованно с роторным корпусом 6 для использования его энергии вращения.
Показанный на фиг.1 поршень 2, 3, 4, 5 дополнительно имеет первое поршневое кольцо 11 и второе поршневое кольцо 12. Оба поршневых кольца 11, 12 уплотняют камеру сгорания 13 относительно пространства 7. Согласно показанному варианту выполнения второе поршневое кольцо 12 выполняет также функцию маслосъемного поршневого кольца. При этом служащее для смазки поршня 2, 3, 4, 5 масло переносится из внутренней зоны пространства 7 наружу к первой направляющей 9. Кроме того, поршень может иметь регулирующие расширение вставки, так что учитываются различные материалы и различные коэффициент расширения. Роторный корпус 6 и, соответственно, первая направляющая 9 изготовлены из алюминия.
Кроме того, на фиг.1 показано, что поршень 2, 3, 4, 5 вместе с шатуном 15 образует уплотнительную часть 14. Шатун 15 соединен непосредственно с поршнем 2, 3, 4, 5, при этом оба жестко соединены друг с другом. Выполнение контура 8 обеспечивает линейное прохождение поршня 2, 3, 4, 5. За счет этого можно отказаться, например, от поршневого пальца и его подшипника в шатуне. Для этого контур 8 имеет криволинейный участок для обеспечения вместе с соединением линейного прохождения поршня в поршневой машине 1. Кроме того, в шатуне 15 предусмотрено отверстие 16 для шатунного подшипника 17, при этом на шатунный подшипник 17 опирается соединительный вал 18. Соединительный вал 18 соединяет контур 8 с шатуном 15. При этом соединительный вал 18 расположен эксцентрично относительно середины поршня 2, 3, 4, 5. За счет этого шатун 15 образует рычажное плечо. Шатун 15 имеет поперечное сечение предпочтительно в форме стойки. Это обеспечивает хорошее восприятие и передачу сил сжатия.
Кроме того, на фиг.1 показано, что с шатуном 15 жестко соединена направляющая часть 19. Направляющая часть 19 расположена во второй направляющей 20. Вторая направляющая 19 является, например, расположенной в роторном корпусе 6 гильзой. Вокруг направляющей части 19 расположен подшипник 21. Подшипник 21 обеспечивает движение направляющей части 19 с возможно малым трением во второй направляющей 20. Подшипник 21 предпочтительно является подшипником качения. Поскольку направляющая часть 19 образует вместе с уплотнительной частью 14 рычажную систему, то подшипник 21 способен, в частности, передавать возникающие в соответствии с рычажной системой силы давления на роторный корпус 6. Как показано на фиг.1, подшипник 21 выполнен с возможностью движения относительно второй направляющей 20 и направляющей части 19. Для того чтобы подшипник 21 не мог выходить в радиальном направлении наружу из роторного корпуса 6, предусмотрено защитное кольцо 22 в качестве ограничения пути роторного корпуса 6. За счет этого возможно, что направляющая часть 19 при вращении на 360° вокруг контура 8 может заходить за вторую направляющую 20, однако при этом всегда используется полностью передающая силу поверхность второй направляющей 20. Подшипник 21 предпочтительно имеет длину, по меньшей мере равную длине второй направляющей 20.
На фиг.1 показаны четыре поршня 2, 3, 4, 5 в соответствующем различном рабочем положении. Направление вращения обозначено стрелками. Первый поршень 2 как раз начинает всасывание, второй поршень 3 находится примерно в конечной фазе всасывания, третий поршень 4 находится в конце фазы зажигания, четвертый поршень 5 находится в рабочей фазе. В соответствии с положением поршня 2, 3, 4, 5 направляющая часть 19 находится в соответствующем различном положении внутри второй направляющей 20. Однако подшипник 21 имеет такие размеры, что он может вполне выступать из второй направляющей 20 в радиальном направлении внутрь. Для того чтобы подшипник 21, например, при остановке поршневой машины 1 не ударялся в контур 8, может быть предусмотрено соответствующее ограничение пути. Оно имеется, например, на самой направляющей части 19, например, в виде утолщения материала. С другой стороны, такое ограничение пути может иметь сама вторая направляющая 20. Подшипник 21 предпочтительно также смазывается. Подача смазывающего средства осуществляется через масляную форсунку 58, которая снабжает все детали достаточным количеством смазочного масла.
Кроме того, на фиг.1 показано, что контур имеет первый участок А, второй участок В и третий участок С. Каждый из них искривлен. Кривизна выбрана так, что направляющая часть 19, так же как поршень 2, 3, 4, 5, может перемещаться линейно вдоль первой направляющей 9 и, соответственно, второй направляющей 20. Третий участок С выполнен, в частности, по меньшей мере частично так, что во время выполняемой на нем рабочей фазы поршень 2, 3, 4, 5 по существу постоянно остается в своем положении внутри первой направляющей 19. За счет этого во время рабочей фазы не изменяется камера сгорания 13. Это приводит к созданию особенно высокого давления в камере сгорания 13. Это обеспечивает передачу через рычажную систему из уплотнительной части 14 и направляющей части 19 особенно большого крутящего момента на роторный корпус 6. На четвертом участке D контур 8 имеет такую форму, что поршень 2, 3, 4, 5 направляется так, что обеспечивается выпуск отработавших газов из камеры сгорания 13. Для этого контур 8 имеет на участке D по существу линейную зону. Кроме того, контур 8 выполнен так, что предотвращается перекос поршня как в верхней, так и в нижней мертвой точке. Тем самым обеспечивается снижение шумности. Кроме того, минимизируется боковое давление поршня 2, 3,4, 5 на стенку 9 цилиндра.
Кроме того, на фиг.1 показан элемент 24 скольжения системы 23 газообмена и уплотнения. Система 23 газообмена и уплотнения расположена на наружном кожухе 23а роторного корпуса 6. За счет этого система 23 газообмена и уплотнения вращается вместе с роторным корпусом 6. Система 23 газообмена и уплотнения имеет опирающийся на подшипник качения элемент 24 скольжения, который пружинно зафиксирован вне середины на конце 25 цилиндра в канавке 26 и лежит с возможностью герметизации камеры сгорания 13. Элемент 24 скольжения имеет опирающееся на подшипник качения кольцо 27 скольжения, которое имеет первый уплотнительный выступ 28 и второй уплотнительный выступ 29. Кольцо 27 скольжения согласовано с противоположной поверхностью корпуса 30 кожуха. Уплотнительные выступы 28, 29 взаимодействуют с поверхность корпуса 30 кожуха с обеспечением герметизации. При переходе соответствующего элемента 24 скольжения через канал 31 зажигания, в котором расположена свеча 32 зажигания, искра зажигания предпочтительно инициируется тогда, когда свеча 32 зажигания находится внутри кругового первого уплотнительного выступа 28. Геометрическая форма канала 31 зажигания предпочтительно выполнена в корпусе 30 кожуха так, что оба уплотнительных выступа 28, 29 обеспечивают герметизацию. Таким образом, элемент 24 скольжения выполняет роль защитного шлюза: если при переполнении канала 31 зажигания определенное количество газа все же перейдет через первый уплотнительный выступ 28, то оно задерживается по меньшей мере вторым уплотнительным выступом 29. Элемент 24 скольжения в свою очередь выполнен внутри канавки 26 так, что исключен боковой выход сжатого газа вдоль канавки 26. Для этого канавка 26 может иметь, например, одно или более уплотнительных колец. За счет пружинной опоры элемента 24 скольжения он обеспечивает герметизацию при переполнении впускного канала 33 и выпускного канала 34, а также канала 31 зажигания, за счет соответствующего противодавления на поверхность корпуса 30 кожуха.
Уплотнительная система 23 обеспечивает за счет соответствующего подвода и отвода потоков газа возможно полное заполнение, соответственно, опустошение камеры сгорания. Для этого, например, в корпусе 30 кожуха расположены соответствующие управляющие каналы 33, 34, по которым происходит заполнение, соответственно, опустошение камеры сгорания. Управляющие каналы 33, 34 расположены вдоль поверхности, противоположной наружному кожуху 23а роторного корпуса 6. Это относится также к системе 23 газообмена и уплотнения. За счет вращающейся системы 23 газообмена и уплотнения управляющие каналы 33, 34 могут быть относительно длинными. Впускной канал 33 предпочтительно значительно длиннее выпускного канала 34. Глубина управляющих каналов 33, 34, а также ширина управляющих каналов 33, 34 и расстояние между управляющими каналами 33, 34 зависят от величины поршневой машины.
На фиг.2 показана поршневая машина, согласно фиг.1, на виде сбоку. Можно видеть, что система 23 газообмена и уплотнения имеет уплотнительное тело 35. На уплотнительных телах 35 расположены уплотнительные 36 пластины. С помощью ленточных пружин 37 на уплотнительные пластины 36 оказывается давление в радиальном направлении. Уплотнительные тела 35 в свою очередь также оказывают давление на уплотнительные пластины 36. Приложение давления происходит в направлении окружности. Для этого каждое уплотнительное тело 35 несет витую изгибную пружину 38. Таким образом, витая изгибная пружина 38 обеспечивает герметизацию между кольцом 27 скольжения, соответственно, элементом 24 скольжения и прилегающей к элементу 24 скольжения уплотнительной пластиной 36. При этом элемент 24 скольжения расположен эксцентрично, причем степень эксцентриситета задана углом α. Уплотнительные тела 35, уплотнительные пластины 36 и витые изгибные пружины 37 зафиксированы с обеих сторон на наружном кожухе 23а роторного корпуса 6 в круговых канавках. За счет этого обеспечивается полная герметизация каналов смены заряда и камеры сгорания 13. Эта герметизация обеспечивается также тогда, когда ротор 6 проходит над каналом 31 зажигания, соответственно, свечой 32 зажигания. Тем самым система 23 газообмена и уплотнения обеспечивает, с одной стороны, герметизацию камеры сгорания, а также герметизацию смены заряда. С другой стороны, система 23 газообмена и уплотнения обеспечивает впуск и выпуск газов через радиальные отверстия. За счет этого отпадает необходимость в необходимом для обычных поршневых двигателей полном блоке управления газообменом, что приводит к значительному сокращению деталей и более хорошей смене заряда. Показанная на фиг.1 поршневая машина 1 работает по четырехтактному принципу (всасывание, сжатие, работа, выпуск). Таким образом, при одном повороте роторного корпуса 6 происходит на двух поршнях рабочий цикл, например на поршнях 2 и 3.
Поршневая машина 1 имеет корпус 30 кожуха, который состоит из двух частей. Первая часть 39 корпуса кожуха соединена со второй частью 40 корпуса кожуха. Вращающийся роторный корпус 6 расположен в корпусе 30 кожуха. Роторный корпус 6 предпочтительно также состоит из двух частей. Первая часть 41 роторного корпуса соединена со второй частью 42 роторного корпуса. Противоположная наружному кожуху 23а роторного корпуса 6 поверхность корпуса 30 кожуха изогнута, а именно вогнута. Относительно герметизации это шарообразное выполнение поверхностей имеет то преимущество, что облегчается герметичное уплотнение с помощью системы 23 газообмена и уплотнения, при этом допуски на изготовление системы 23 газообмена и уплотнения выбираются так, что обеспечивается достаточная герметизация функциональных пространств, а именно, несмотря на движение подвижных частей. Кроме того, на корпусе 30 кожуха расположен соединительный элемент 43. При этом речь идет о присоединении выпускного канала 34. Проходящий дальше в корпусе 30 кожуха, показанный лишь на фиг.1 впускной канал 33 расположен относительно поршня так, что подача газа происходит эксцентрично. За счет этого в потоке входящего газа создается завихрение. Степень эксцентриситета снова обозначена углом а.
На фиг.2 показано дополнительно прохождение шатуна, соответственно, поршня вдоль контура 8. Контур 8 образован кривошипным диском 44, а также двумя расположенными в лежащих противоположно друг другу кулачковых дисках 45, 46, конгруэнтно проходящими канавками 47. В канавках 47 расположен соединительный вал 18, концы 48, 49 которого имеют соответствующий подшипник 50 качения. Подшипникам 50 качения соответствуют, в свою очередь, ролики 51. Ролики 51, а также соединительный вал 18 проходят вдоль контура 8. На соединительном валу 18 в качестве шатунного подшипника расположен игольчатый подшипник 17. Он отличается, в частности, тем, что может воспринимать и передавать большие силы нагрузки. Это является предпочтительным вследствие возникающих на основе рычажной системы из уплотнительной части и направляющей части 19 сил и моментов. При этом наружная боковая сторона канавки 47 воспринимает центробежные силы поршней 2, 3, 4, 5, при этом изогнутая боковая сторона кривошипного диска 44 воспринимает создаваемые газами силы. Опирающийся на подшипник качения ролик 51 имеет зазор относительно внутренней изогнутой боковой поверхности канавки 47. При качении по наружной изогнутой боковой поверхности он выполняет вращение вокруг собственной оси, которое относительно другой изогнутой боковой стороны имеет неправильное направление. Этот зазор устраняется с помощью кривошипного диска 44, поскольку обе боковые стороны канавки 47 смещены относительно друг друга и каждая боковая сторона имеет на соединительном валу 18 собственный ролик 51. В этом случае ролики 51 катятся с противоположным направлением вращения и могут постоянно удерживаться в соприкосновении. Кулачковые диски 45, 46 расположены противоположно кривошипному диску 44, при этом они имеют совпадающие контуры и неподвижно соединены друг с другом с помощью винтов. Кулачковые диски 45, 46, а также кривошипный диск 44 в свою очередь жестко соединены через крышку 52 корпуса с корпусом 30 кожуха. Кулачковые диски 45, 46, а также кривошипный диск 44 служат также в качестве опоры для подшипников роторного корпуса, которые в данном случае выполнены в виде подшипников 53 качения.
На фиг.2 показана система 54 смазки. Смазочная система 54 расположена в роторном корпусе 6, а также в корпусе 30 кожуха, и имеет масляный насос 55. Он соединен через ведущий диск 56 с роторным корпусом 6 так, что она приводится во вращение. Смазочная система 54 выполнена в виде не зависимой от положения установки поршневой машины, т.е. как независимая от положения циркуляционная смазочная система. При этом масло высасывается зубчатым кольцевым насосом 55 из масляного кольца 57, и предохранительный клапан внутри корпуса насоса ограничивает давление масла и направляет излишнее масло обратно во всасывающий канал насоса. Из нагнетательного канала масло через масляный фильтр подается в масляные форсунки 58. Оттуда смазочное масло попадает в роторный корпус 6. Для лучшей обзорности предохранительный клапан, масляный фильтр, а также масляные каналы не изображены на соответствующих отдельных чертежах. Роторный корпус 6 имеет несколько вращающихся вместе с ним смазочных каналов 59; они распределяют смазочное масло по соответствующим местам смазки. На основе центробежных сил смазочная среда, как правило масло, выдавливается наружу, так что смазка движущихся деталей осуществляется предпочтительно изнутри роторного корпуса 6 наружу. Таким образом, скорость вращения поршневой машины используется для других целей. Обратный поток масла происходит через роторный корпус 6, который имеет несколько вращающихся вместе с ним центробежных каналов 60. Центробежная сила выдавливает масло через центробежные каналы 60 наружу. Масло выбрасывается на противоположное отверстие 61 масляного кольца, скапывает и попадает в закрытую часть масляного кольца 57. Там оно снова попадает в смазочный контур. Этот процесс постоянно повторяется для обеспечения надежной, не зависимой от положения смазки.
Масляное кольцо 57 предпочтительно выполнено с возможностью поворота на 360°, опирается на ролики 62 и расположено в первой части 39 корпуса кожуха. Уплотнение масляного кольца 57 относительно канала 63 всасывания обеспечивают два уплотнительных кольца 64, которые неподвижно соединены с первой частью 39 корпуса кожуха. Уплотнение противоположной каналу 63 всасывания стороны выполняет снабженное пружиной 65 сжатия, подвижное в осевом направлении уплотнительное кольцо 66, которое зафиксировано в канавке 67 и которое постоянно прижимает масляное кольцо. Первая часть 39 корпуса кожуха имеет на периметре отверстия 68, через которые выбрасываемое масло попадает в отверстие 61 масляного кольца. Масляное кольцо 57 состоит из двух частей, при этом первый корпус 69 масляного кольца соединен со вторым корпусом 70 масляного кольца. Однако масляное кольцо может состоять также из одной части, например в виде одной литой части. В масляном кольце 57 расположен поплавковый игольчатый клапан 71. Через поплавковый игольчатый клапан 71 и находящиеся в первой части 39 корпуса кожуха отверстия 72 возврата масла излишнее масло, соответственно, утечки масла снова подаются в смазочный контур.
Для того чтобы уже при пуске поршневой машины 1 иметь достаточное давление масла, можно дополнительно разместить резервуар с маслом под давлением. Во время работы поршневой машины 1 он постоянно удерживается под давлением. Это давление не уменьшается также после выключения поршневой машины 1. Это давление высвобождается при запуске поршневой машины 1. Существует также возможность размещения отдельного от роторного корпуса 6 масляного насоса. Он может питаться, например, от внешнего источника энергии, такого как, например, аккумулятор. В одной модификации предусмотрено, что масляный насос приводится в действие как от внешнего источника энергии, так и от самой поршневой машины 1. При этом предусмотрена возможность переключения с одного источника энергии на другой.
На фиг.2 показан выходной конец 73 вала отбора мощности поршневой машины 1. Выходной конец 73 вала отбора мощности может непосредственно воздействовать на принимающее механическую энергию устройство. Кроме того, можно предусмотреть сцепление. В одной модификации предусмотрена передача. Передача предпочтительно является планетарной передачей 74. Дополнительное преимущество обеспечивается при применении бесступенчатой передачи. В этом случае поршневая машина 1 может работать с постоянной скоростью вращения. В этом случае необходимую для потребляющего механическую энергию устройства скорость вращения можно устанавливать с помощью бесступенчатой передачи. Тем самым можно также изменять принимаемый крутящий момент. Наряду с бесступенчатой передачей возможно также использование передачи с передаточными ступенями.
На фиг.3 показана в разрезе часть поршневой машины 1, показанной на фиг.1 и 2. Показана рычажная система из уплотнительной части 14, направляющей части 19 и контура 8. Ролики 51 рычажной системы находятся вдоль контура 8 в положении, в котором передается большой крутящий момент на роторный корпус 6. Эта передача показана в качестве примера в виде треугольника сил с соответствующими размерами. В то время как на середину поршня 2, 3, 4, 5 действует, например, максимальная сила газа F1, равная 2600 Н, то расстояние l2, равное, например, 38 мм, между средней осью поршня и средней осью ролика при воздействии силы на основе геометрических размеров поршня 2, 3, 4, 5 приводит к вычисленному направлению действия силы, которое имеет угол β, равный 34°. При пересчете на силу, действующую на роторный корпус 6, при соответствующем выполнении направляющей части 19, получается сила F2, равная примерно 3850 Н. При этом средняя эффективная длина L1 принята равной примерно 25 мм (средняя эффективная длина рычажного плеча). Этот пример показывает, как можно использовать рычажную систему для преобразования действующей на поршень 2, 3, 4, 5 силы для повышения крутящего момента. Увеличение силы с F1=2600 Н до F2=3850 Н приведено лишь в качестве примера. В зависимости от изменения путей рычагов и передающих силу поверхностей, будь это на поршне 2, 3, 4, 5 или же на направляющей части 19, можно устанавливать наиболее подходящий для соответствующего применения крутящий момент, например, с учетом возникающих нагрузок в применяемом материале для отдельных деталей. Наряду с показанным на фиг.3 линейным прохождением поршней 2, 3, 4, 5 и направляющей части 19 существует также при соответствующем согласовании контура 8 возможность предусмотрения криволинейного прохождения направляющей части 19, или же самого поршня 2, 3, 4, 5, или же обоих в комбинации друг с другом. Для этого контур 8 согласовывается, соответственно, так, чтобы при повороте на 360° поршень 2, 3, 4, 5, а также направляющая часть 19 могли проходить по соответствующей своей направляющей. Существует также возможность регулировать соответствующим образом передачу действия сил в рычажную систему за счет геометрической формы поверхности поршня. Например, можно предусмотреть передачу результирующей силы не посередине, а со смещением относительно оси поршня. Например, возможна передача результирующей силы в рычажную систему эксцентрично относительно средней оси поршня, в частности в зоне наружной области поршня, предпочтительно для обеспечения большого рычажного плеча. Это возможно, например, за счет соответствующего выполнения поверхности поршня 2, 3, 4, 5. Кроме того, целесообразно, если направляющая часть 19 может проходить далеко наружу в радиальном направлении для передачи сил. Это улучшает действие крутящего момента. В частности, за счет этого достигается то, что за счет радиальной длины направляющей части величина интеграла силы по поверхности направляющей части 19 соответствует равномерно увеличивающейся функции или экспоненциальной функции.
На фиг.4 показан разрез части фиг.3 на виде сверху. Ролики 51, которые прилегают к контуру 8, прижимаются к нему центробежной силой F3, равной, например, 800 Н. Центробежная сила зависит от скорости вращения. Первый кулачковый диск 45 и второй кулачковый диск 46 выполнены так, что они могут воспринимать эту центробежную силу. Во время рабочего такта ролики 51, которые прилегают к контуру 8 кривошипного диска 44, прижимаются к нему с силой газа F1, равной, например, 2600 Н. При этом кривошипный диск 44 выполнен так, что он может воспринимать эту силу газа. Через соответствующие детали рычажной системы ее можно согласовывать с другими размерами в соответствующей поршневой машине 1. Направляющая часть 19 предпочтительно состоит из одной части, но может быть также навинчена на рычажную систему в виде гильзообразного элемента. Это обеспечивает, в частности, возможность сборки из унифицированных узлов. Унифицированные узлы включают, например, поршни, шатуны, подшипники, ролики, кривошипный диск, кулачковые диски и т.д.
На фиг.5 показана система 23 газообмена и уплотнения из фиг.2. Как показано на фиг.5, система 23 газообмена и уплотнения имеет четыре элемента 24 скольжения, восемь уплотнительных тел 35, а также шестнадцать уплотнительных пластин 36 и шестнадцать ленточных пружин 37. С уплотнительными телами 35, а также элементами 24 скольжения согласованы с уплотнением уплотнительные пластины 36. За счет ленточных пружин 37 на уплотнительные тела 35 и уплотнительные пластины 36 действует радиальное давление.
На фиг.6 показан элемент 24 скольжения из фиг.5 в разнесенной изометрической проекции. Элемент 24 скольжения имеет опирающееся на подшипник качения кольцо 27 скольжения, на котором расположены первый уплотнительный выступ 28 и второй уплотнительный выступ 29. Кольцо 27 скольжения зафиксировано вместе с сепаратором 75 шарикоподшипника и тарельчатой пружиной 77 в виде радиального прижимного устройства для элемента 24 скольжения в находящейся на цилиндре канавке 26. При этом внутреннее уплотнительное кольцо 78 уплотняет элемент 24 скольжения в направлении камеры сгорания 13. Фиксация элемента 24 скольжения, а также уплотнение элемента 24 скольжения относительно камеры сгорания 13 показаны на фиг.1.
На фиг.7 показано уплотнительное тело 35 из фиг.5 со своими деталями. Уплотнительное тело 35 содержит витую изгибную пружину 38, которая зафиксирована цилиндрическим штифтом 79. С помощью витой изогнутой пружины 38 оказывается давление на расположенные в уплотнительном теле 35 уплотнительные пластины 36. Витая изогнутая пружина 38 отжимает уплотнительные пластины 36 наружу, так что в установленном в канавку состоянии направленная в окружном направлении сила прижимает уплотнительные пластины 36 к элементу 24 скольжения. За счет этого удерживаются в своем положении также уплотнительные пластины 36. Тем самым реализуется герметизация для газообмена. С другой стороны, это обеспечивает также герметизацию деталей, которые находятся внутри роторного корпуса 6. Уплотнительные тела 35 могут состоять, например, из нитрита кремния.
На фиг.8 показана уплотнительная пластина 36. Она имеет первый конец 80 и второй конец 81. Первый конец 80 согласован, соответственно, с элементом 24 скольжения для обеспечения герметизации. Второй конец 81 выполнен в свою очередь так, что он воспринимает давление витой изгибной пружины 38 и передает, в частности, равномерно в уплотнительной пластине 36 к другому концу 80. Уплотнительная пластина может также состоять из нитрита кремния.
На фиг.9 показана возможность оказания радиального давления на уплотнительную пластину 36. Это устройство для оказания радиального давления имеет форму ленточной пружины 37. Волнистость ленточной пружины 37 обеспечивает распределенное по периметру множество точек приложения силы к уплотнительной пластине 36. Это приводит к оказанию равномерного давления в радиальном направлении и тем самым обеспечивает особенно эффективную герметизацию.
На фиг.10 показано масляное кольцо 57 системы 54 смазки. Масляное кольцо 57 состоит из двух частей. Первый корпус 69 масляного кольца соединен со вторым корпусом 70 масляного кольца. Масляное кольцо 57 имеет первый участок Е и второй участок F. Каждый из них расположен радиально относительно оси вращения масляного кольца 57. При этом участок Е образует закрытую часть, а участок F - открытую часть масляного кольца 57. Величина объема закрытой части на участке Е масляного кольца должна быть меньше, максимально равной величине объема половины отверстия масляного кольца на участке F. За счет этого предотвращается ненужный избыток масла и минимизируются потери масла и гидравлические потери. Возврат масла происходит через поплавковый игольчатый клапан 71, который расположен в масляном кольце 57 и в отверстиях 72 возврата масла в первой части 39 корпуса кожуха. Масляное кольцо 57 опирается на ролики 62 для облегчения его вращения вокруг собственной оси на 360°. Для контроля за уровнем масла на масляном кольце, а также на крышке масляного кольца предусмотрены смотровые стекла 82, которые имеют маркировку для измерения уровня масла. Уровень масла регулируется с помощью расположенных в масляном кольце впускной резьбовой пробки 83 и выпускной резьбовой пробки 84 для масла.
На фиг.11 показана система из нескольких поршневых машин 1a, 1b, 1с. Они соединены друг с другом. Кроме того, эта множественная система имеет устройство наддува. Оно может содержать, например, устройство 86 охлаждения воздуха наддува, которое целесообразно предусматривать при газотурбинном наддуве. Поршневые машины снабжаются смазывающим средством с помощью смазочного устройства 87. Смазочное устройство предпочтительно соединено с поршневыми машинами 1a, 1b, 1с так, что оно приводится в действие с помощью последней машины. В этом случае в качестве смазочного устройства 87 применяется независимая от положения циркуляционная смазка. Существует также возможность предусмотрения внешнего смазочного устройства 87. Оно питается от внешнего источника 88 энергии, например аккумулятора. Кроме того, предусмотрено электронное устройство 89 в соединении с поршневой машиной 1а, 1b, 1с. Электронное устройство 89 выполняет управление или регулирование ее. Например, можно подключать или отключать одну или более этих поршневых машин 1а, 1b, 1с. Электронное устройство 89 управляет также зажиганием. Например, можно включать или отключать зажигание. Кроме того, электронное устройство 89 регулирует, соответственно, управляет количеством топлива, которое подается из топливного бака 90 через соответствующее устройство 91 подготовки смеси или т.п. в поршневые машины 1а, 1b, 1с. Кроме того, предусмотрена возможность подключения к поршневым машинам 1а, 1b, 1с устройства 92 обработки отработавших газов. Оно является, например, катализатором, устройством рециркуляции отработавших газов и т.д. Его управление, соответственно, регулирование предпочтительно также выполняет электронное устройство 89, а именно, среди прочего, через подачу топлива.
Предусмотрена возможность подключения к поршневым машинам 1а, 1b, 1с потребителя 93, который использует создаваемую машинами энергию. Между потребителем 93 и поршневыми машинами 1а, 1b, 1с предпочтительно расположено также промежуточное звено. Промежуточное звено 94 является, например, сцеплением, коробкой передач или т.п.
Поршневую машину 1а, 1b, 1с можно использовать также в соединении с одним или несколькими устройствами 95 снабжения энергией. Это может быть топливный элемент, аккумулятор или т.п. Устройство 95 снабжения энергией снабжает энергией также потребителя 93. С помощью электронного устройства 89 можно также включать и выключать устройство 95 снабжения энергией, также как одну или несколько поршневых машин 1a, 1b, 1с. При этом поршневые машины 1a, 1b, 1с служат, например, в качестве основного поставщика энергии. Устройство 89 снабжения энергией подключается лишь при необходимости. Это может быть также и наоборот. Они могут также дополнять друг друга.
Как указывалось выше, поршневая машина предпочтительно работает одна или совместно с другими агрегатами. Например, поршневую машину можно использовать в качестве генератора энергии в стационарных условиях. Например, такое возможно в блочных теплоэлектроцентралях. Другими областями применения в стационарных условиях являются компактные устройства снабжения энергией или транспортируемые агрегаты, такие как, например, генераторы аварийного снабжения энергией. Кроме того, поршневая машина на основе своей конструкции обеспечивает возможность ее применения в грузовых автомобилях, легковых автомобилях, а также в небольших устройствах, таких как газонокосилки, пилы и т.д. Поршневую машину можно использовать также в других транспортных средствах, таких как мотоциклы и мопеды.
С помощью этой новой поршневой машины обеспечивается сокращение расхода топлива. Также возможно с помощью нее выполнение в настоящее время и в будущем известных во всем мире требований к вредным выбросам. Поршневая машина обеспечивает очень большой крутящий момент при очень низких частотах вращения. За счет этого возможны хорошие характеристики движения. Поршневую машину можно использовать, в частности, для транспортных средств, которые работают на водороде. За счет конструкции поршневой машины в принципе уменьшается излучение шумов. Это позволяет применять поршневую машину в зонах, чувствительных к шуму. За счет построения поршневой машины по модульному принципу со многими одинаковыми деталями обеспечивается снижение стоимости изготовления. За счет принципа действия отпадает необходимость в дорогих деталях, таких как привод клапанов для обычных поршневых двигателей. Несмотря на это, сохраняется надежность работы. Число быстроизнашивающихся деталей на основании принципиально другой конструкции по сравнению с обычными поршневыми машинами является небольшим. Это облегчает, с одной стороны, техническое обслуживание. С другой стороны, обеспечивается простая замена деталей с небольшими затратами. Поршневая машина выполнена так, что обеспечивается как герметизация при соответствующей смазке, несмотря на неизбежное тепловое расширение и, возможно, соответствующей деформации при нагрузке деталей, так и способность работы при увеличивающемся износе.
Принцип действия обеспечивает много возможностей работы поршневой машины. Например, предпочтительно выполнять сгорание топлива при равном объеме цилиндра во время рабочего такта. Поршневая машина может быть выполнена также так, что во время рабочего такта газовым силам не противодействуют силы инерции. Предпочтительный четырехтактный принцип действия с раздельным газообменом связан с меньшими потерями энергии по сравнению с обычными поршневыми двигателями. Выполнение поршня с уплотнительной частью и направляющей частью в качестве рычажной системы обеспечивает высокую передачу сил, соответственно, большой крутящий момент. Камера сгорания может оставаться компактной, что в свою очередь требует лишь небольшой поверхности камеры сгорания. Это обеспечивает возможность как водяного, так и воздушного охлаждения поршневой машины. За счет того, что точка приложения направляющей поршня лежит далеко от оси вращения ротора, сила газов в соединении с рычажным плечом во время рабочего такта приводит к созданию большого крутящего момента. Кроме того, в поршневой машине предпочтительно необходима лишь одна свеча зажигания, а также один карбюратор, соответственно, одна форсунка. Это уменьшает количество подлежащих техническому обслуживанию, а также подвергаемых износу деталей. Герметизация камеры сгорания обеспечивается с помощью кольца скольжения, которое, в частности, может быть вращающимся. За счет вращения смесь из топлива и воздуха получает необходимое для сгорания завихрение. Герметизация между корпусом кожуха и роторным корпусом надежно осуществляется с помощью неподвижных уплотнительных элементов. Через соответствующую передачу, в частности планетарную передачу, возможно также увеличение частоты вращения поршневой машины для потребителя. Другое преимущество и тем самым особую гибкость применения поршневой машины обеспечивает независимое от положения снабжение маслом. Поршневую машину можно использовать во всех возможных положениях. Несмотря на это, всегда обеспечивается снабжение маслом. В целом, разделение впускных и выпускных каналов обеспечивает также достаточное охлаждение всех неподвижных и подвижных деталей. Это поддерживается также отделением камер сгорания от остальных подвижных частей двигателя. Таким образом, поршневая машина обеспечивает высокую мощность и надежную работу при небольшой вероятности появления неисправностей.
Перечень позиций
| 1 | Поршневая машина |
| 1а | Поршневая машина |
| 1b | Поршневая машина |
| 1с | Поршневая машина |
| 2 | Поршень |
| 3 | Поршень |
| 4 | Поршень |
| 5 | Поршень |
| 6 | Роторный корпус |
| 7 | Пространство |
| 8 | Контур |
| 9 | Направляющая |
| 10 | Насадка |
| 11 | Поршневое кольцо |
| 12 | Поршневое кольцо |
| 13 | Камера сгорания |
| 14 | Уплотнительная часть |
| 15 | Шатун |
| 16 | Отверстие в шатуне |
| 17 | Шатунный подшипник |
| 18 | Соединительный вал |
| 19 | Направляющая часть |
| 20 | Вторая направляющая |
| 21 | Подшипник |
| 22 | Защитное кольцо |
| 23 | Система газообмена и уплотнения |
| 23а | Наружный кожух |
| 24 | Элемент скольжения |
| 25 | Конец цилиндра |
| 26 | Канавка цилиндра |
| 27 | Кольцо скольжения |
| 28 | Первый уплотнительный выступ |
| 29 | Второй уплотнительный выступ |
| 30 | Корпус кожуха |
| 31 | Канал зажигания |
| 32 | Свеча зажигания |
| 33 | Впускной канал |
| 34 | Выпускной канал |
| 35 | Уплотнительное тело |
| 36 | Уплотнительные пластины |
| 37 | Ленточные пружины |
| 38 | Витая изгибная пружина |
| 39 | Первая часть корпуса кожуха |
| 40 | Вторая часть корпуса кожуха |
| 41 | Первая часть роторного корпуса |
| 42 | Вторая часть роторного корпуса |
| 43 | Соединительный элемент |
| 44 | Кривошипный диск |
| 45 | Кулачковый диск |
| 46 | Кулачковый диск |
| 47 | Канавки контура |
| 48 | Концы соединительного вала |
| 49 | Концы соединительного вала |
| 50 | Подшипник качения |
| 51 | Ролики соединительного вала |
| 52 | Крышка корпуса |
| 53 | Подшипник качения |
| 54 | Система смазки |
| 55 | Масляный насос |
| 56 | Ведущий диск |
| 57 | Масляное кольцо |
| 58 | Масляные форсунки |
| 59 | Каналы смазки |
| 60 | Центробежные каналы |
| 61 | Отверстие масляного кольца |
| 62 | Ролики масляного кольца |
| 63 | Канал всасывания |
| 64 | Два уплотнительных кольца |
| 65 | Пружина сжатия |
| 66 | Уплотнительное кольцо |
| 67 | Канавка уплотнительного кольца |
| 68 | Отверстия части корпуса кожуха |
| 69 | Первый корпус масляного кольца |
| 70 | Второй корпус масляного кольца |
| 71 | Поплавковый игольчатый клапан |
| 72 | Отверстия для возврата масла |
| 73 | Отбор мощности |
| 74 | Планетарная передача |
| 75 | Сепаратор шарикоподшипника |
| 76 | Вращающееся кольцо |
| 77 | Тарельчатая пружина |
| 78 | Внутреннее уплотнительное кольцо |
| 79 | Цилиндрический штифт |
| 80 | Первый конец уплотнительной пластины |
| 81 | Второй конец уплотнительной пластины |
| 82 | Смотровые стекла |
| 83 | Резьбовая пробка для заливки масла |
| 84 | Резьбовая пробка для слива масла |
| 85 | Устройство наддува |
| 86 | Устройство охлаждения воздуха наддува |
| 87 | Смазочное устройство |
| 88 | Источник энергии |
| 89 | Электронное устройство |
| 90 | Топливный бак |
| 91 | Устройство приготовления смеси |
| 92 | Устройство обработки отработавших газов |
| 93 | Потребитель |
| 94 | Промежуточное звено |
| 95 | Устройство снабжения энергией |
1. Поршневая машина, содержащая контур (8), который образует замкнутую криволинейную направляющую, роторный корпус (6), который расположен с возможностью вращения относительно контура (8) и который передает крутящий момент поршневой машины, служащий для привода или снятия мощности, по меньшей мере, один расположенный в роторном корпусе (6) блок (1a, 1b, 1c, 1d), который состоит из цилиндра (9) и поршня (2, 3, 4, 5), при этом линия действия поршня (2, 3, 4, 5) в цилиндре (9) расположена в плоскости, перпендикулярной оси вращения роторного корпуса (6), а также направлена эксцентрично к оси вращения роторного корпуса (6) и проходит по прямой линии, шатун (15), который жестко соединен с поршнем (2, 3, 4, 5) и передает через направляющую вдоль контура (8) задаваемое им управляемое движение на поршень (2, 3, 4, 5), отличающаяся тем, что с шатуном (15) соединена направляющая часть (19), которая расположена с возможностью перемещения вдоль отдельной направляющей в роторном корпусе (6), при этом поршень (2, 3, 4, 5) с шатуном (15) и направляющая часть (19) выполнены с возможностью совершения возвратно-поступательного движения вдоль соответствующей прямой в роторном корпусе (6).
2. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что в зоне места соединения шатуна (15) и направляющей части (19) выполнен шатунный подшипник (17) для прохождения по контуру (8).
3. Поршневая машина по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что отдельная направляющая для направляющей части (19) выполнена линейной направляющей, продольная ось которой пересекается с осью вращения роторного корпуса (6).
4. Поршневая машина по п.3, отличающаяся тем, что линейная направляющая (20) направляющей части (19) выполнена в виде гильз (20) и что вокруг направляющей части (19) в продольном направлении гильзы (20) расположен выполненный с возможностью смещения подшипник (21) качения.
5. Поршневая машина по п.4, отличающаяся тем, что подшипник (21) качения выполнен подвижным относительно направляющей части (19) и гильзы (20), при этом выход подшипника (21) качения в продольном направлении направляющей части (19) наружу предотвращается с помощью ограничителя пути.
6. Поршневая машина по п.4, отличающаяся тем, что ограничитель пути выполнен в виде расположенного в роторном корпусе (6) защитного кольца (22).
7. Поршневая машина по любому из п.5 или 6, отличающаяся тем, что подшипник (21) качения имеет длину, по меньшей мере, равную длине гильзы (20).
8. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что предусмотрены четыре состоящих из цилиндра (9) и поршня (2, 3, 4, 5) блока (1a, 1b, 1c, 1d), при этом линии действия поршней расположены в плоскости, перпендикулярной оси вращения роторного корпуса (6), со смещением относительно друг друга на 90°.
9. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что контур (8) выполнен так, что при полном обороте роторного корпуса (6) состоящий из цилиндра (9) и поршня (2, 3, 4, 5) блок (1a, 1b, 1c, 1d) выполняет, по меньшей мере, один рабочий такт.
10. Поршневая машина по п.9, отличающаяся тем, что контур (8) выполнен так, что во время рабочего такта блока (1a, 1b, 1c, 1d) ограниченная его поршнем (2, 3, 4, 5) камера сгорания является, по меньшей мере, в основном изохорной.
11. Поршневая машина по п.2, отличающаяся тем, что контур (8) образован кривошипным диском (44), а также двумя расположенными в противоположных друг другу кулачковых дисках (45, 46) проходящими конгруэнтно канавками (47) и предусмотрен соединительный вал (8), на котором находится шатунный подшипник (17) с расположенными на концах роликами (51), которые удерживаются в канавках (47) в соприкосновении с ними.
12. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что роторный корпус (6) на своем наружном кожухе (23а) имеет систему (23) газообмена и уплотнения, которая прилегает, по меньшей мере, частично с герметизацией к корпусу (30) кожуха поршневой машины (1).
13. Поршневая машина по п.12, отличающаяся тем, что система (23) газообмена и уплотнения имеет находящийся под давлением, подвижный в радиальном направлении и установленный с возможностью вращения элемент (24) скольжения.
14. Поршневая машина по п.13, отличающаяся тем, что система (23) газообмена и уплотнения имеет уплотнительные пластины (36), которые согласованы с обеспечением герметизации с элементом (24) скольжения, а также с уплотнительным телом (35).
15. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что предусмотрена независящая от положения смазочная система (54) с масляным кольцом (57), которое опирается на ролики (62) с возможностью вращения на 360° вокруг собственной оси.
