BRPI1106540A2 - mecanismo com rotor toroidal e pistÕes rotativos - Google Patents

Abstract

MECANISMO COM ROTOR TOROIDAL E PISTÕES ROTATIVOS. É um dispositivo mecânico capaz de realizar processos de compressão ou expansão de gases e é composto apenas por peças que executam movimento dc rotação unidirecional. Pode ser aplicado cm compressores, bombas, motores a vapor, motores de combustão interna, ou similares. Possui um rotor (1) com forma toroidal com câmaras internas que sofre um corte por toda extensão do seu tubo, onde se encaixa um "cabeçote" (2). A selagexn entre as seções de uma câmara é feita pelos chamados "discos-pistões" (3), basicamente, pistões rotativos. Durante o movimento sincronizado do rotor toroidal com o dos "discos-pistões", estes realizam ciclos de compressão de gases localizados em um volume delimitado, por uma. "câmara. interna do rotor" (6), um "disco-pistão" (3) e o "cabeçote" (2).

Description

"Mecanismo com rotor toroidal ε pistões rotativos"

Estc invento se refere a um dispositivo mecânico capaz de realizar processos de compressão ou expansão de gases com todo ciclo de trabalho realizado por peças que -5 executam movimento rotativo unidirecional. Pode ser aplicado cm compressores, bombas, motores a vapor, motores de combustão interna, ou similares.

O modelo de compressor tradicional é similar a um motor de automóvel. Um pistão que executa movimento recíproco serve como fonte de trabalho mecânico e duas válvulas controlam a entrada c saída de gás dentro de iun cilindro. Este compressor é pouco eficiente, fisicamente grande e produz muito ruído.

O compressor de paíhetas rotativas é mais eficiente, mais silencioso, mais compacto e possui menos peças que o anterior, porém, seu processo de fabricação é delicado e oneroso, e é muito frágil por depender de fricção entre a parede e as paíhetas para funcionar. Outro modelo interessante é o RandCam™ (US 7,896,630), que tem boas vantagens, mas depende de um grande conjunto de paíhetas, pelo menos oito delas, que executam movimento recíproco, além de este movimento ocorrer sob fricção.

Apresento aqui este invento, o "Mecanismo com rotor toroidal ε pistões rotativos", como possível alternativa para os tradicionais compressores, motores e similares. É mais simples, tem menos peças móveis, e usa um conceito completamente novo para selagem com pistões rotativos.

Este invento visa obter um compressor composto por peças móveis que executam movimento de rotação simples e unidirecional em um ciclo de trabalho. Outros objetivos seriam fazer um compressor mais compacto, com menos peças, mais robusto, menos suscetível a problemas de fricção e capaz de operar cm rotações bem elevadas.

Um objetivo futuro seria a utilização deste conceito para produzir um motor de combustão interna reunindo as vantagens do compressor para produzir um motor mais eficiente e com capacidade de operar em altas rotações. Este compressor 6 composto apenas por peças que executam movimento de rotação unidirecional. Possui um rotor com forma toroidal (1) com câmaras internas geradas por um processo de extrusão complexo, com matriz girante e com o caminho de extrusão seguindo a circunferência do centro do tubo do toróide ( ver figura 5). Este rotor toroidal sofre um corte por toda extensão do seu tubo, e neste espaço de corte, encaixa-se um "cabeçote" (2), que faz a separação entre câmaras internas. A selagem entre as seções de uma câmara é feita pelos chamados "discos-pistões" (3), basicamente, pistões rotativos. O compressor montado pode ser visto na figura 2, e a mesma imagem, mas com o rotor toroidal transparente, na seguinte figura, i V

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dc número 3. Durante o movimento sincronizado do rotor toroidal com o dos "discos-pistões", estes realizam ciclos dc compressão de gases, como pode-se ver na figura 4, visto de cima, com o "rotor toroidal" (1) transparente e com um volume de trabalho cm contraste (mais escuro).

Os nomes dados a algumas peças são similares aos dos motores e compressores dc pistões tradicionais de forma a fazer um paralelo entre estes os dois e enfatizar as funções correspondentes de determinadas peças,

Os cilindros são uma das peças básicas de um compressor tradicional, que determinam o espaço de trabalho dos pistões. E nesta invenção aqui apresentada

há um "rotor toroidal" (1) com câmaras geradas por extrusão. Sua forma é definida com as seguintes regras:

• define-se um caminho circular em torno do eixo central, este é o centro do tubo do toróide. A câmara intema inicial (4) é feita por extrusão, mas diferente da extrusão tradicional, que segue um caminho de extrusão reto, deve-se seguir o

caminho do centro do tubo do toróide, como na figura -5.

• a matriz de extrusão da câmara (-5) é rotativa, segundo procedimento ilustrado na Figura 5;

• a matriz de extrusão (5) deve ser um objeto tridimensional, logo, todo o volume varrido pela matriz neste processo deve ser considerado;

· a seção reta da câmara interna inicial no início do processo de extrusão deve coincidir com a do fim de uma volta completa pelo caminho de extrusão no tubo, os 360° da circunferência. Embora não seja regra, o número dc revoluções da matriz (5) no processo de extrusão deve ser um número inteiro e igual ao número dc "discos-pistões" (2) a girar dentro deste rotor;

· o tubo do toróide sofre um processo de corte, removendo uma área da seção transversal de toda extensão do tubo. Este corte deve ser suficiente para fazer uma separação da câmara interna inicial (4), resultante do processo de extrusão, em várias câmaras internas (6) após o volume do espaço de corte ser preenchido. Um rotor resultante do processo de extrusão, como na figura 6, deve ficar corno

na figura seguinte, de número 7;

• a área dc fronteira com corte do rotor que estiver fora das câmaras InternacJ deve ser fechada com placas (7). Estas placas devem ser suficientes para fechar todos os orifícios (8 c 9) do "cabeçote" do ar ambiente. Veja esquema nas figuras 8, 9, 10;

· o rotor deve ser conectado a um eixo para entrada ou saída de trabalho mecânico. t, γ

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Ainda que este processo de extrusão não seja possível cm produção industrial, este e o processo geométrico de gerar as câmaras internas do rotor. A aparência externa dos rotores nas figuras citadas foi deixada com mesma forma das câmaras internas apenas para melhor visualização.

Para refazer o isolamento entre câmaras internas e o ar ambiente, uma peça chamada "cabeçote" (2) é posicionada no corte do rotor. O "cabeçote" é uma peça que além de servir para fechar o espaço de corte do rotor, serve como peça base, onde encaixam-se as outras peças, inclusive o rotor toroidal (1). No "cabeçote" há fendas (10) para. posicionamento dos "discos-pistõcs" (2). Também há orifícios para admissão (8) e descarga (9), próximos às fendas dos discos (10), como mostra a figura 11. A forma e posição dos orifícios é dependente do tempo que se deseja mantê-los abertos às câmaras internas. Na figura 11, os orifícios de admissão (8), que se estendem de uma borda à outra da área dc trabalho do cabeçote, permitem a entrada dc ar durante todo ciclo de admissão, já os orifícios dc descarga (9) são bem menores que os anteriores (8) e localizados na borda exterior, de forma a haver saída dc gás apenas no fim do estágio dc compressão. Modelos mais complexos podem ter estes orifícios com outras formas e posições. Pode haver ainda orifícios extras (11) com um sistema de válvulas (12) para regular sua abertura. Orifícios extras (11) contiOlados por válvulas para o processo descarga, como na figura 12, podem ser interessantes, pois estes orifícios podem ser abertos para evitar que a saída mais tardia de gás ocorra a uma pressão indesejadamente maior que aquela no tubo ou recipiente de descarga de gás.

Um "disco-pistão" (2) é um disco não-circular, com saliências (13), como o apresentado nas figuras 13 c 14. Um "disco-pistão" tem duas faces (14), que devem estar paralelas uma a outra, mas rotacionadas levemente, de forma a manter a borda de cada uma delas em contato com (ou o mais próximo possível) a parede das câmaras internas (6) do rotor, com um contato otimizado, preferencialmente, na região da câmara onde há compressão máxima, como nas figuras 17 e 18. Assim, ao aumentar a espessura do disco, deve-se seguir o processo dc extrusão com matriz girante, como mostra a figura 15, de forma a manter contato preciso do disco com toda a superfície da câmara interna, como se pode observar em detalhe na figura 18. O melhor encaixe acontece com discos com espessura menor, mais especificamente, para o maior valor clo raio do toróide em relação às dimensões dos "discos-pistõcs".

Cada um dos "discos-pistões" deve se posicionar em uma fenda no cabeçote (10). Os "discos-pistõcs" devem se encaixar nas paredes da câmara do rotor dc forma a selar duas seções da câmara. Para isso, estes "discos-pistõcs", dc preferência, devem ser a própria forma tridimensional da matriz dc extrusão (5) usada para gerar as câmaras internas dc seu rotor toroidal (1) ou, pelo menos, forma compatível. 4. y

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Estes "discos-pistões" devem girar em sincronia com o rotor, do preferência, por meio de engrenagens, corrente ou correia. A velocidade de rotação dos destes discos deve ser igual à rotação do rotor multiplicada pelo número de giros da matriz no processo de extrusão. Com o movimento de rotação do toróide, sincronizado com o •5 dos "discos-pistões", estes devem sempre permanecer selando uma câmara em duas seções, dois volumes isolados, delimitados por uma "câmara interna do rotor" (6), o próprio "disco-pistão" (-3) e o "cabeçote" (2). Com este movimento, o disco percorre a câmara e pode realizar processos de admissão e compressão como mostra a figura 4.

Efetivamente, os "discos-pistões" são equivalentes aos pistões de um motor tradicional, por isso, neste documento, eles são chamados de "discos-pistões". Eles são muito distintos dos pistões, realizam um movimento de rotação unidirecional, e não um movimento longitudinal, e além disso, há uma fase de trabalho cm ambos os lados do disco (em compressores tradicionais, apenas dc um lado), mas a forma como estes "discos-pistões" separam duas seções de uma câmara é idêntica à função de um pistão.

Na geometria de um modelo real, há muitos graus de liberdade a serem explorados, mas partindo do modelo básico aqui apresentado, logo, todos seguem a mesma idéia central. O número, forma e dimensões dos "discos-pistões", por exemplo, são parâmetros a serem explorados. Eles podem ter formas mais exóticas nas saliências (13) para aumentar a taxa de compressão da descarga, ou saliências (13) mais laragas que aumentam o volume de trabalho por ciclo, entre outras modificações. Em todos os modelos aqui ilustrados, há dois "discos-pistões" por rotor, e cada um dos discos é simétrico por rotação dc 180°, tudo isso por uma questão dc simetria e para manter perfeito balanceamento do compressor. O balanço se mantém para um número dc "discos-pistões" maior que 2. Para rotores com apenas um disco, há a vantagem dc haver apenas fricção entre a cada superfície da câmara interna com a mesma superfície de um disco, logo há vantagens num eventual processo dc "amaciainento", mas perde-se em simetria e o perfeito balanceamento do compressor.

Vários outros parâmetros podem ser alterados, tais quais o raio do caminho dc extrusão circular, extensão do corte do rotor, bem como a posição e dimensões de orifícios de admissão (8) e descarga (9).

Uma outra alteração interessante é feita com a remoção dos orifícios dc admissão no cabeçote e adicionando orifícios na extremidade das câmaras do rotor (15). "Pás" (16), semelhantes àquelas de uma hélice, são adicionadas próximas aos orifícios de admissão, de forma a liaver algum nível de admissão forçada. Este modelo está exemplificado na figura 19 com uma das "pás" (16) removida para visualização do orifício na câmara do rotor (1-5).

Um modelo mais complexo seria um motor de combustão interna. Um possível modelo para motor é composto por dois destes rotores, um sendo para ciclos de admissão e compressão (17), c outro para ciclo de expansão (potência) c exaustão (18). Entre eles há uma câmara de combustão (19), conectando o orifício dc descarga do compressor (20) ao orifício de entrada do expansor (21), como csqtxematizado nas figuras 20 e 22.

O orifício de descarga do compressor (20) deve ser encaixada à entrada da câmara de combustão (22), e a saída desta câmara (23) ao orifício de entrada do rotor de expansão (21). Esta câmara , preferencialmente, deve ser composta por material isolante, cerâmicas por exemplo. A câmara dc combustão deve ter orifícios (24) para encaixe de velas de ignição, bicos injetores, e similares, tantos quanto sejam necessários. Opcionalmente pode ter uma de suas paredes removida (25), e substituída por uma parede móvel (26), como na figura 24, para aplicações com taxa dc compressão variável, em especial para motores com autoignição por HCCI ou por foto-detonação.

Os "discos-pistões" (3) para o motor devem ter um máximo 180° de circunferência para saliências (13). Assim, no fim do processo de compressão, quando o orifício de descarga compressor (20) está aberto para os gases do interior "rotor compressor" (17), e permitindo a entrada destes gases na "câmara de combustão" (19), o orifício para a câmara de expansão (21) deve estar fechado, abaixo das placas do rotor (7), como mostrada na figura 25. E durante o início do processo de expansão, com o orifício de entrada do expansor (21) aberto, os gases saem da "câmara de combustão" (19) para o interior do "rotor expansor" (18), e a saída para o compressor (20) dever estai" fechada.

Um "rotor compressor" (17) com orifícios dc admissão no rotor (15) e "pás" de hélice (16) deve apresentar vantagem no processo de admissão, sendo a melhor escolha em várias alicações. E para maior eficiência, o rotor dc expansão deve ser maior, e é uma boa idéia que tenha orifícios dc exaustão extras (11) com válvulas -30 (12), como apresentado na figura 12, para iniciar a exaustão tão logo a pressão na câmara interna do expansor se iguale à pressão ambiente.

Claims (7)

1. "Mecanismo com rotor toroidal ε pistões rotativos" incluindo um "rotor toroidal" (1), um "cabeçote" (2) e "discos-pistões" (3), caracterizado por usar os movimentos rotativos sincronizados do "rotor toroidal" (1) com o dos "discos-pistões" (3) para realizar ciclos de compressão de gases localizados em um volume delimitado pelas paredes de uma "câmara interna do rotor" (6), um "disco-pistão" (3) e o "cabeçote" (2), sendo a peça dita "rotor toroidal" (1) um toróide com camâras internas e um "corte", que é a remoção de uma área da seção transversal de todo tubo toroidal, e com placas em toda área de fronteira com o espaço do "corte" que estiver fora das câmaras internas, sendo uma outra peça, dita "cabeçote" (2), a peça que se encaixa na fronteira do "corte" do "rotor toroidal" (1), e que possui fendas para encaixe de "discos-pistões" (3) e orifícios para admissão (8) e descarga (9), sendo outra peça, dita "disco-pistão" (3), um disco com uma ou mais saliências (13) que é capaz de isolar dois volumes de gases em uma "câmara interna do rotor" (6) ao se posicionar transversalmente no interior desta.

2. "Mecanismo com rotor toroidal ε pistões rotativos" de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter um "rotor toroidal" (1) com câmaras internas (6) geradas por extrusão seguindo o caminho circular do centro tubo de um toróide, e com a matriz de extrusão executando rotação sincronizada com o percurso do caminho de extrusão;

3. "Mecanismo com rotor toroidal ε pistões rotativos" de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter "discos-pistões" gerados por processo de extrusão com matriz girante e seguindo um caminho de extrusão reto;

4. "Mecanismo com rotor toroidal ε pistões rotativos" de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter o "rotor toroidal" (1) com um orifício na extremidade de cada "câmara interna do rotor" (6) e uma "pá", ou similar, acima deste orifício, e com o dito "cabeçote" sem os orifícios de admissão (8);

5. "Mecanismo com rotor toroidal ε pistões rotativos" de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter o "cabeçote" (2) com orifícios de descarga ou admissão sobressalentes (11) e cada um dos sobressalentes com uma válvula externamente controlada (12).

6. "Mecanismo com rotor toroidal ε pistões rotativos" incluindo "câmaras de combustão" (19), um "rotor compressor" (17) e um "rotor expansor" (18), caracterizado por ser a junção de dois dispositivos de acordo com a reivindicação 1, ditos "rotor compressor" (17) e "rotor expansor" (18), onde o primeiro rotor tem cada orifício de descarga (20) conectado a entrada (22) da uma "câmara de combustão" (19) e a saída desta (23) a um orifício de entrada (21) do segundo rotor, sendo a dita "câmara de combustão" um recipiente com dois orifícios para passagem de gases, um de entrada (22) e um de saída (23), e outros orifícios para encaixe de velas de ignição, bicos injetores de combustível e similares.

7. "Mecanismo com rotor toroidal ε pistões rotativos" de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por ter cada "câmara de combustão" (19) com um orifício (25) para encaixe de uma dita "parede móvel" (26), que é um pistão externamente controlado;