BG62502B1 - Сферично-бутален радиален двигател - Google Patents

Description

Изобретението се отнася до двигател с вътрешно горене, по-специално до ротационен двигател с вътрешно горене със сферични бутала, които с помощта на гърбична конфигурация осигуряват установяване на относително постоянна скорост на възвратно-постъпателното движение на буталата.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е “Радиално-бутален двигател с четиритактов непрекъснат цикъл” - US 5257599, който представлява радиален двигател с вътрешно горене със сферични бутала. Известният двигател включва стационарен корпус, в който е разположено ротиращо цилиндрично средство, в което са оформени два реда радиално разположени кръгови проходни канали, оформящи съответно нагнетателни или работни цилиндри, разположени на разстояние един от друг. Всеки от споменатите цилиндри съдържа сферично бутало, при което сферичните бутала се придвижват по една гърбична повърхнина, чийто център на ротация е изместен от центъра на ротация на цилиндрите. Сферичните бутала освен претьркалването по гьрбичната повърхнина в кръгово движение осъществяват и възвратно-постъпателно движение спрямо цилиндрите. През цикъла на ротация скоростта на движение на всяко от буталата както по неговата кръгова траектория, така и относително възвратно-постъпателното му движение, варира в значителни граници.

Неравномерната скорост на сферичните бутала по кръговата им траектория води до известно преплъзване и буксуване. Това причинява допълнително износване вследствие на триенето и до повишен шум. Неравномерното движение може да предизвика и “струпване” на буталата, което води до дебалансиране и повишена вибрация в двигателя.

Техническа същност на изобретението

Целта на изобретението е да се създаде сферично-бутален ротационен двигател с вът решно горене с подобрен контрол върху движението на сферичните бутала.

Съгласно изобретението е създаден сферично-бутален ротационен двигател с вътрешно горене, в който уникална гърбична конструкция възпроизвежда равномерно търкаляне на всяко бутало по кръгова траектория и постоянно относително възвратно-постъпателно движение във всеки цилиндър.

Ротационният двигател с вътрешно горене, използващ сферични бутала в съответствие с принципите на изобретението, не се нуждае от конвенционалните отворени бутала, мотовилки, колянов вал или друг осцилиращ механизъм. Той съдържа стационарен корпус, в който е разположено ротиращо цилиндрично средство, състоящо се от една околовръстна цилиндрична стена, в която са оформени поне два реда радиално разположени кръгови проходни канали, оформящи съответно нагнетателни или работни цилиндри, разположени на разстояние един от друг по дължината на оста на ротация. Всеки от споменатите цилиндри съдържа по едно свободно въртящо се и възвратно-постъпателно движещо се сферично бутало. В стационарния корпус е затворено от околовръстната цилиндрична стена на ротиращото цилиндрично средство стационарно вътрешно средство за захранване, пренасяне и отвеждане на работния флуид към цилиндрите. Вътрешната повърхност на външната стена на стационарния корпус е снабдена със стационарно гьрбично средство, съдържащо кръгов направляващ канал, оформен от двойка разположени на разстояние ръбове и обграждайки всеки от редовете цилиндри на двигателя. Всяко стационарно гьрбично средство включва и средство за контакт с всяко от сферичните бутала, осигуряващо тяхното възвратно-постъпателно движение в съответните им цилиндри, когато ротиращото цилиндрично средство се върти. Ротиращото цилиндрично средство е свързано с вал за предаване мощността на двигателя на изходящия вал.

Сферичните бутала в нагнетателните цилиндри изпълняват функцията на засмукващи и на нагнетяващи всмуквания въздух. За един оборот всички сферични бутала в нагнетателните цилиндри минават през смукателен такт, нагнетателен такт и тогава сгъстеният въздух се изпуска от външната страна на двигателя към междинен охладител.

Сгъстеният въздух с прибавено гориво се транспортира през транспортираща тръба към работните цилиндри. След приемане на зареденото количество въздух-гориво от транспортиращата тръба, цилиндрите и буталата на работните цилиндри преминават над пламъчна тръба за запалване на задържаното заредено количество.

Гърбицата на работните цилиндри е регулирана така, че при запалване буталата започват своето движение навън. След завършване на разширението на газа през работния такт, изпускателният отвор се открива и сферичните бутала се преместват навътре, изхвърляйки продуктите на горенето. Размерите на работния цилиндър и ходът на буталото са избрани така, че да се постигне пълно разширение на отработените продукти. В едно предпочитано изпълнение са използвани два реда от работните цилиндри с един ред нагнетателни цилиндри.

Описание на приложените фигури

Изобретението се илюстрира по-добре на приложените фигури, където:

фигура 1 представлява напречен схематичен разрез по 1-1 от фигура 7 на двигател с вътрешно горене в долна и горна мъртва точка (ДМТ и ГМТ);

фигура 1А - схематично изображение на траекторията на едно сферично бутало до 360° на завъртане;

фигура 2 - сечение по 2-2 от фигура 5; фигура 3 - сечение по 3-3 от фигура 5; фигура 4 - сечение по 4-4 от фигура 5; фигура 5 - изглед по 5-5 от фигура 1;

фигура 6 - сечение по 6-6 от фигура 1; фигура 7 - сечение по 7-7 от фигура 1; фигура 8 - сечение по 8-8 от фигура 1; фигура 9 - сечение по 9-9 от фигура 1; фигура 10 - сечение по 10-10 от фигура 1; фигура 11 - сечение по 11-11 от фигура 1. Стрелките, показани открай докрай на фигурите, илюстрират посоката на ротиращите елементи и посоката на протичане на различните надписани флуиди.

Примери за изпълнение на изобретението

На фигури 1,2и5до11е показан двигател с вътрешно горене, който включва ста ционарен цилиндричен корпус 12 с външна стена 14 и стена 16 и кръгъл отвор 18. Кръглият отвор 18 е покрит от затвор 22, съдържащ крайна плоча 24, закрепена чрез болтове 25 към корпуса 12, и цилиндрично оформен статор 26, разположен в корпуса 12.

В пръстеновидното пространство между статора 26 и външната стена 14 на корпуса 12 се намира ротор 28, имащ околовръстна цилиндрична стена 30, крайна стена 31 и изходящ вал 32, преминаващ навън през отвор в стената 16 на корпуса 12 за извеждане на вала 32 навън от двигателя 10.

В околовръстната цилиндрична стена 30 на ротора 28 са оформени три реда от цилиндри 34, 36 и 38, всеки от които има съответни сферични бутала 42, 44 и 46.

Съгласно фигура 7 всеки цилиндър, например цилиндър 34, се състои от радиално разположен кръгъл пробит отвор със сферичен опорен пръстен 34в, за да пасва на сферичното бутало 42 и стеснен отвор 34с, така че цилиндърът 34 изцяло преминава през стената 30 на ротора 28.

Цилиндрите 34 са описани като иагнетателни цилиндри, докато цилиндрите 36 и 38 са описани като работни цилиндри.

Вътрешната повърхност 48 на външната стена 14 на корпуса 12 е снабдена с уникална гьрбична конструкция, по която се придвижват сферичните бутала 42. Тази конструкция се състои от канал 52 (виж фиг.1) във вътрешната повърхност 48 за цел, която ще бъде описана по-долу. И двете повърхности, вътрешната 48 на стената 14 на корпуса 12 и външната повърхност на околовръстната цилиндрична стена 30 на ротора 28, са кръгови и имат една и съща ос X на ротация. Оста У, която е изместена спрямо оста X, както се вижда от фигура 7, е център за кръговата външна повърхност 14 на корпуса 12. Дълбочината на отвора в канала 52, както и разстоянието между външните ръбове А и В на канала 52, е конструирана да се изменя до периметъра на вътрешната повърхност 48 по такъв начин, че да позволява на буталата 42 явно да се движат с постоянна стойност на скоростта във всеки цилиндър 34, когато роторът 28 се върти.

Ако е необходимо, разстоянието между външните ръбове А и В може да варира до периметъра, за да се получат всички други желани относителни движения на буталата в тех ните съответстващи цилиндри.

Сферичните бутала не се движат действително възвратно-постъпателно. Те обикалят по траектория, близка до окръжност, но само вътре във всеки цилиндър, като изглежда, че се движат възвратно-постъпателно.

Дълбочината на канала 52 във външната стена 14 на корпуса 12 варира до периметъра, за да побере буталата, и тази конфигурация е вярна за бутала 44 и 46. Ръбовете А и В, оформящи траекторията, по която се търкалят сферичните бутала 44 и 46, са разположени на вътрешната повърхност 48 на стената 14 на корпуса 12.

Сферичните бутала 42 се придвижват и завъртат по ръбовете А и В, докато роторът 28 се завърта, както е показано схематично на фигура 1, така че когато междината се променя, сферичните бутала 42 се движат възвратнопостъпателно в цилиндрите 34.

Центробежна сила поддържа буталата 42 в контакт с ръбовете А и В. Буталата 42 никога не докосват някоя част от канала 52, освен до ръбовете А и В, както е показано на фигурите. Буталата 42, когато се завъртат спрямо ръбовете А и В, се движат в планетарна орбита.

От фигури 1, 2, 3, 4 и 7 е видно, че когато роторът 28 се завърта обратно от ГМТ в ДМТ, буталата 42 се преместват навън така, че в цилиндрите 34 постъпва въздух през впускателен отвор 54, разположен в статора 26 по време на част от този цикъл. Статорът 26 също така е снабден с всмукателен колектор за въздух 56, който приема свеж въздух от множество впускателни отвори 58 за въздух, показани на фигура 5.

От ДМТ до ГМТ буталата 42 се движат навътре, при което въздухът се сгъстява, сгъстеният въздух се изпуска през отвор 64 в статора 26 точно преди ГМТ. Сгъстеният въздух напуска статора 26 през изпускателния отвор 64 за сгъстен въздух, за преминаване през междинен охладител 66, показан схематично на фигура 1. Междинният охладител 66 е от конвенциален тип, използващ въздух от околната среда за охлаждане на сгъстения въздух.

Съгласно фигури 1 и 8 работните цилиндри 36 и 38 приемат сгъстения въздух от междинния охладител 66 чрез гориво-въздушен провод 68 в статора 26 и отвори 72 и 73 при ГМТ. Горивото се впръсква в сгъстения въздух от един или повече инжектори 74, раз положени в гориво-въздушния провод 68.

Както се вижда от фигура 3, запалването е осигурено от запалителна свещ 76, разположена в пламъчна тръба 78 в статора 26, отворена към цилиндрите 36 и 38 през отвори 72 и 73 при ГМТ.

В цилиндрите 36 и 38 сферичните бутала 44 и 46 са снабдени с подобни гьрбични ръбове С и D и Е и F, съответно на канали 82 и 84.

От ГМТ до ДМТ работният такт на разширение се съвместява с изпускането, осъществяващо се впоследствие, както е илюстрирано на фигура 8, през изпускателния отвор 86 малко преди ГМТ. Изходящите продукти се изпускат през изпускателен провод 88 и изпускателен отвор 92 на изпускателната система 94. Гайка 95, монтирана на изпускателния отвор 92, захваща плоча 95а, съдържаща впускателни отвори за въздух 58.

Както се вижда на фигура 6 газовете, изтичащи след буталата 42, 44 и 46, преминават в пръстеновидна камера 96 и през един отвор 98 във всмукателния колектор 56 за рециклиране. Сферичните бутала и цилиндрите са конструирани с такава радиална хлабина, че е осигурена неплътност, при което триенето се намалява до минимум.

Най-голямата част от площта на контакт е разположена между вътрешната повърхност на ротора 28 и външната повърхност на статора 26. Площта на напречното сечение на всеки цилиндър, например цилиндър 34 над сферичния опорен пръстен 34в, е двойна спрямо площта на напречното сечение на гърловина 34с. Това води до балансиране на силите между ротора 28 и статора 26 и последващо намаляване на триенето.

При работа на двигателя 10 силовите цилиндри 36 и 38, съдържащи сферичните бутала 44 и 46, съответно през време на техния разширителен такт, упражняват сила върху техните гьрбични ръбове С, D, Е, F, принуждавайки ротора 28 да се завърти и подаде мощността през вал 32, като осигури сгъстяване на въздуха в цилиндрите 34.

Тази уникална гьрбична конструкция позволява на сферичните бутала 44 и 46 да развият ротационна кинетична енергия през 180° от ГМТ до ДМТ, тъй като контактните точки се преместват на всяка сфера. Кинетичната енергия се използва, за да помогне бута лата 44 и 46 да се придвижат навътре срещу центробежните сили през следващите 180°. Чрез елиминиране на коляновия вал и мотовилките се елиминира главната вибрация, индуцирана от тяхното движение.

Използването на цилиндричен статор 26 с канали за зареждащо захранване и изпускателни колектори позволява двигателят да работи на четиритактов механичен цикъл, без употреба на всмукателни и изпускателни клапани. Уплътняването между ротора 28 и статора 26 е поддържано непрекъснато чрез регулиране на хлабината и избиране на ефективната площ на стеснения отвор на цилиндъра (т.е. гърловината 34с), равна на половината на площта на цилиндровия отвор. Ефектът от това е да се създаде равновесно състояние на граничната повърхност на ротора 28 и статора 26. Резултатът е, че при всички работни състояния, положително или отрицателно налягане на цилиндъра, усилието на ротора 28 върху статора 26 е съществено балансирано, с което се намалява износването на граничната повърхност между тях. Този признак е важен за контрола на дългосрочността на уплътняването.

Освен описаните предпочитани изпълнения на това изобретение, са възможни и други варианти в обхвата на претенциите.

Claims (10)

1. Ротационен двигател с вътрешно горене, включващ стационарен корпус, в който е разположено ротиращо цилиндрично средство, състоящо се от една околовръстна цилиндрична стена, в която са оформени поне два реда радиално разположени кръгови проходни канали, оформящи съответно нагнетателни или работни цилиндри на двигателя, разположени на разстояние един от друг по дължината на оста на ротация, като всеки от споменатите цилиндри преминава изцяло през околовръстната цилиндрична стена и съдържа едно свободно въртящо се и възвратно-постъпателно движещо се сферично бутало, като в стационарния корпус е затворено от околовръстната цилиндрична стена на ротиращото цилиндрично средство стационарно вътрешно средство за захранване, пренасяне и отвеждане на работния флуид към споменатите цилиндри, характеризиращ се с това, че вът- решната повърхност (48) на външната стена (14) на стационарния корпус (12) е снабдена със стационарно гърбично средство, съдържащо кръгов направляващ канал (52), оформен 5 от двойка разположени на разстояние ръбове (А и В), (С и D), (Е и F) и обграждайки всеки от редовете цилиндри (34, 36, 38) на двигателя (10), при което всяко стационарно гьрбично средство включва и средство за контакт с 10 всяко от сферичните бутала (42, 44, 46), осигуряващо тяхното възвратно-постъпателно движение в съответните им цилиндри (34, 36, 38), когато ротиращото цилиндрично средство (28) се върти, като ротиращото цилиндрично сред15 ство (28) е свързано с вал (32) за предаване мощността на двигателя (10) на изходящия вал.

2. Ротационен двигател с вътрешно горене, включващ стационарен корпус, в който е 20 разположено ротиращо цилиндрично средство, състоящо се от една околовръстна цилиндрична стена, в която са оформени поне два реда радиално разположени кръгови проходни канали, оформящи съответно нагнетателни или работни цилиндри на двигателя, разположени на разстояние един от друг по дължината на оста на ротация, като всеки от споменатите цилиндри преминава изцяло през околовръстната цилиндрична стена и съдържа едно свободно въртящо се и възвратно-постъпателно движещо се сферично бутало, като в стационарния корпус е затворено от околовръстната цилиндрична стена на ротиращото цилиндрично средство стационарно вътрешно средство за захранване, пренасяне и отвеждане на работния флуид към споменатите цилиндри, характеризиращ се с това, че вътрешната повърхност (48) на външната стена (14) на стационарния корпус (12) е снабдена със стационарно гърбично средство, съдържащо кръгов направляващ канал (52), оформен от двойка разположени на разстояние ръбове (А и В), (С и D), (Е и F) и обграждайки всеки от редовете цилиндри (34, 36, 38) на двигателя (10), при което кръговият направляващ канал (52) има ос, съвпадаща с оста на ротация на ротиращото цилиндрично средство (28), като всяка двойка ръбове е в контакт с всички сферични бутала (42, 44, 46) в съответния им ред, а разстоянието на споменатите редове, вариращо до 360° е такова, че дава възможност на сферичните бутала (42, 44, 46) да се движат възвратно-постъпателно в съответстващите им цилиндри (34, 36, 38), като ротиращото цилиндрично средство (28) е свързано с вал (32) за предаване мощността на двигателя (10) на изходящия вал.

3. Ротационен двигател с вътрешно горене съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че всеки от цилиндрите (34, 36, 38) на двигателя (10) е стеснен в долната си част, оформяйки кръгла гърловина (34с, 36с, 38с) с намален диаметър за взаимодействие със стационарното вътрешно средство (26).

4. Ротационен двигател с вътрешно горене съгласно претенция 3, характеризиращ се с това, че площта на напречното сечение на всеки цилиндър (34, 36, 38) на двигателя (10) е приблизително равна на два пъти площта на напречното сечение на неговата гърловина (34с, 36с, 38с).

5. Ротационен двигател с вътрешно горене съгласно претенция 2, характеризиращ се с това, че сферичните бутала (42, 44, 46) са калибровани в цилиндрите (34, 36, 38) така, че е осигурено изпускане на малко количество газове покрай буталата (42, 44, 46), както и средство за рециркулация на изпусканите газове във въздуха, влизащ в нагнетателните цилиндри (34).

6. Ротационен двигател с вътрешно горене съгласно претенция 4, характеризиращ се с това, че стационарното вътрешно средство (26) включва средство за подаване на въздух (56) към нагнетателните цилиндри (34) на двигателя (10), при което се осъществява сгъстяване на подавания въздух, когато гърбичното средство е в контакт със сферичните бутала (42), които са принуждавани да се движат навътре в съответните нагнетателни цилиндри (34) през част от цикъла на ротация, както и средство за впръскване на гориво (74) и пренасяне на сгъстения въздух в работните цилиндри (36, 38) на двигателя (10) през друга част от цикъла на ротация за изгаряне и разширение в работните цилиндри (36, 38) и средство за отвеждане на продуктите на разширение (88) от споменатите работни цилиндри (36, 38).

7. Ротационен двигател с вътрешно горене съгласно претенция 6, характеризиращ се с това, че стационарното вътрешно средство (26) включва средство за запалване на сгъсте ния въздух (76), съдържащ гориво, подаден в работните цилиндри (36, 38).

8. Ротационен двигател с вътрешно горене съгласно претенция 7, характеризиращ се с това, че стационарното вътрешно средство (26) има средство за охлаждане на сгъстения въздух (66), постъпващ в работните цилиндри (36, 38).

9. Ротационен двигател с вътрешно горене, включващ стационарен корпус, в който е разположено ротиращо цилиндрично средство, състоящо се от една околовръстна цилиндрична стена, съдържаща ред от радиално разположени работни цилиндри, като всеки един от работните цилиндри преминава изцяло през околовръстната цилиндрична стена и съдържа едно свободно въртящо се и възвратно-постъпателно движещо се сферично бутало, като в стационарния корпус е затворено от околовръстната цилиндрична стена на ротиращото цилиндрично средство стационарно вътрешно средство за захранване и отвеждане на работния флуид към и от работните цилиндри, характеризиращ се с това, че в стационарния корпус (12) е монтирано стационарно гьрбично средство, обхващащо споменатия ред от работни цилиндри (36, 38) за гьрбично задействане на всяко от сферичните бутала (44,46), при което стационарното гьрбично средство включва двойка от разположени на разстояние ръбове (С и D), (Е и F), следващи кръгова траектория, чиято ос съвпада с оста на ротация на ротиращото цилиндрично средство (28), като двойката ръбове е в контакт със сферичните бутала (44, 46), а разстоянието между тези ръбове е подбрано така, че буталата (44, 46) да се движат по предварително избран закон за движение, като ротиращото цилиндрично средство (28) е свързано с вал (32) за предаване мощността на двигателя (10) на изходящия вал.

10. Ротационен двигател с вътрешно горене съгласно претенция 9, характеризиращ се с това, че всеки от работните цилиндри (36, 38) е стеснен в долната си част, оформяйки кръгла гърловина (36с, 38с) с намален диаметър.