CZ310382B6 - Šroubový spalovací motor s rozdílnými průměry rotorů - Google Patents

Abstract

Šroubový spalovací motor s rozdílnými průměry rotorů sestává ze skříně motoru (1) a nejméně ze dvou rotorů, a sice většího, hnacího rotoru (2) a menšího, těsnicího rotoru (3), které jsou opatřeny šroubovicemi s proměnným stoupáním. Motor má nejméně dva rotory různých průměrů, které jsou opatřeny šroubovicemi s proměnným stoupáním, které do sebe přesně zapadají. Stoupání šroubovice je přitom upraveno tak, že na počátku rotoru je vytvořena oblast (4), kde dochází k sání a kompresi, za ní následuje oblast (5), kde dochází k zážehu paliva, a za ní následuje třetí oblast (6), kde dochází k expanzi a výfuku.

Description

Šroubový spalovací motor s rozdílnými průměry rotorů

Oblast techniky

Vynález se týká oblasti spalovacích motorů převádějících teplo na práci.

Dosavadní stav techniky

V oblasti spalovacích motorů jsou známy pístové motory, turbínové motory, Wanklův motor a šroubový motor popsaný v patentu CS 252827.

Podstata vynálezu

Šroubový motor s rozdílným průměrem rotorů spojuje výhody jak klasického motoru s klikovým mechanismem a pístem, tak i výhody turbínového spalovacího motoru.

Oproti šroubovému motoru popsanému v patentu CS 252827 odstraňuje spalovací motor s rozdílným průměrem rotorů vzájemný konflikt mezi šroubovicemi, který u původní konstrukce omezoval její efektivní využití. Vynález popsaný v CS 252827 se šroubovicemi s plynulou změnou stoupání a s rotory stejného vnějšího průměru obsahuje neodstranitelnou vadu v podobě konfliktu mezi šroubovicemi. Rotory nelze přiložit k sobě a není tedy možné v praxi tohoto vynálezu využít. Toto napravuje tento vynález díky využití rotorů se šroubovicí s proměnným stoupáním a s odlišnými vnějšími průměry, přesně stanovenými za pomoci počítačové simulace a modelování v 3D prostoru tak, aby do sebe rotory přesně zapadaly a nedocházelo k jejich vzájemnému konfliktu. Navržená geometrie šroubovice není osově souměrná, ale upravená tak, aby v první části nastala komprese pro dosažení pracovního tlaku, po stlačení následuje zážeh paliva, který způsobí prudký narůst tlaku, v druhé části pak dochází k výraznému zvýšení stoupavosti šroubovice, což umožňuje převod expandujícího plynu na práci.

Konstrukce rotorů šroubového motoru tak odstraňuje kinematický konflikt u rotorů s proměnným stoupáním šroubovice způsobený změnou stoupání šroubovice tím, že jeden rotor je vytvořen sloučením válcovitého tělesa a tělesa ve tvaru šroubovice, které je vytvořeno rotací jiného tělesa po šroubové dráze s proměnným stoupáním, a druhý rotor je vytvořen rozdílem válcovitého tělesa a tělesa ve tvaru šroubovice, které je vytvořeno rotací jiného tělesa po šroubové dráze s proměnným stoupáním, ale s opačným směrem rotace než u prvního rotoru. Vytvořené rotory mají rozdílný průměr a bez konfliktu do sebe přesně zapadají.

Oproti klasickému pístovému motoru má šroubový motor řadu výhod. Jedna z nich je, že spalovací cyklus zde probíhá zcela plynule v oddělených pracovních komorách, které jsou vytvořeny pomocí protiběžné rotace rotorů různých průměrů s proměnnou, do sebe zapadající šroubovicí. Tato konstrukce umožňuje během jedné otáčky rotoru vykonat v každé komoře část celého spalovacího cyklu - to je sání, komprese, zážeh, expanze a výfuk. Při každé otáčce se tak uskuteční v motoru celý spalovací cyklus. Pro počáteční rozběh motoru předpokládáme použití běžné funkce startéru.

Oproti turbínovému motoru využívá šroubový motor oddělených pracovních komor. Tím se pracovní cyklus více blíží ideálnímu spalovacímu cyklu a zvyšuje se efektivita spalování. Vynález tak může dosáhnout vyšší účinnosti převodu tepla na práci nežli běžná turbína, ale současně může obdobně jako turbína pracovat ve vysokém počtu otáček, až v řádech desetitisíců za minutu. Dá se tedy říci, že šroubový motor s rozdílnými průměry rotorů spojuje výhody jak pístového motoru, tak i turbíny při dosažení vyšší účinnosti.

- 1 CZ 310382 B6

Další velkou výhodou šroubového motoru s rotory různých průměrů je jeho mechanická jednoduchost. Nemá klikový mechanismus, ani sací a výfukové ventily, tím jsou mechanické ztráty omezeny na minimum - nedochází zde k žádnému tření, ale jen k odvalování. Z jednoduchosti konstrukce šroubového motoru také plyne jeho vysoká spolehlivost a životnost. Rovněž nevznikají pneumatické ztráty průchodem plynu přes sací a výfukové ventily, odpadá složité časování otevírání a zavírání ventilů a časování zážehu (vstřiku) paliva.

Oddělením jednotlivých prostorů kompresního, zážehového a expanzního nevzniká nebezpečí tzv. zpětného zážehu. Protože se u tohoto motoru v případě dostatečně přesné výroby nevytváří žádné tření, není nutné ani žádné mazání. Při použití vhodných materiálů nebude nutné ani chlazení. Tím se omezí tepelné ztráty, které u klasického motoru vznikají jeho chlazením a nutností mazání.

K převodu tepla na práci dochází v důsledku zvýšení tlaku v pracovní komoře po zážehu paliva. Tato expanze plynu vyvolá větší sílu na stěnu rotoru s větší plochou (což je plocha ve směru zvýšené stoupavosti šroubovice, tj. ve směru k výfuku) než je síla vyvolaná na menší stěnu rotoru (což je plocha ve směru snížené stoupavosti šroubovice, tj. ve směru k zážehové komoře). Výsledná síla působí na závit šroubovice ve směru tečny rotoru a roztáčí rotor.

Faktor převažující síly zůstává v platnosti pro každou fázi natočení rotorů, a proto má systém vždy tendenci nechat unikat expandující plyn jen jedním směrem a roztáčet rotory.

S rostoucím objemem komor tlak v komoře postupně klesá až do fáze výfůku plynu.

Další výhoda šroubového motoru spočívá v tom, že volbou průběhu stoupání šroubovice a průměrů rotorů lze měnit vlastnosti spalovacího cyklu, a tedy například prodloužit expanzi tak, aby se lépe využilo energie vzniklé při spalování. U klasického motoru s klikovým mechanismem velká část energie odchází ve formě ještě horkých a stlačených spalin do výfuku.

Objasnění výkresů

Obr. 1 zobrazuje schéma šroubového motoru s rotory rozdílných průměrů.

Příklad uskutečnění vynálezu

Šroubový spalovací motor se skládá ze skříně motoru 1 a nejméně dvou rotorů 2, 3 šroubovitého tvaru s rozdílným průměrem. U šroubovice se průběžně mění její tvar, tj. buď stoupání šroubovice, nebo šířka šroubovice a závitové mezery. Menší, těsnicí rotor 3 má opačný profil než větší, hnací rotor 2, do kterého zapadá, a uzavírá tak společně se skříní motoru 1 pracovní prostor (viz obr. 1). Počet otáček šroubovice, velikosti průměru hlavního rotoru, délky motoru, jsou volitelné parametry závislé na rozměrových a výkonnostních požadavcích na motor.

Průměr rotorů 2, 3 je stanoven v modulačním softwaru v 3D prostoru tak, aby nedocházelo k vzájemnému kinematickému konfliktu. Určitému vnějšímu průměru rotoru 2 tak odpovídá přesně stanovený vnější průměr rotoru 3, a rotory 2, 3 tvoří se šroubovicí vždy jedinečnou kombinaci.

Dle průběhu šroubovice se dají rotory 2, 3 rozdělit do tří pracovních oblastí 4, 5, 6. V první oblasti 4 dochází k sání 7 a následným snižováním stoupání šroubovice nastává komprese. V druhé oblasti 5 dochází k zážehu-vznětu paliva 9,10. V třetí oblasti 6 se stoupání šroubovice zvětšuje, tím dochází ke zvětšování pracovních komor. V této fázi dochází k převodu tepla na práci, kde hnací síla je vyvozována tlakem plynu na stěny šroubovice a roztáčí hnací rotor 2. Dále nastává expanze a následuje výfuk 8.

- 2 CZ 310382 B6

Modelováním tvaru a stoupání šroubovice lze u šroubového motoru optimalizovat kompresní prostor 4, zážehový prostor 5 a expanzní prostor 6 pro různé druhy paliva.

Hnací síla je vyvolána tlakem plynu na stěny šroubovice hnacího rotoru 2. Její velikost je dána součinem tlaku plynu po spálení směsi ve spalovací komoře, rozdílem stoupání šroubovice, respektive rozdílem šířky závitové mezery na začátku a na konci pracovního prostoru, a výškou závitu:

VZ - výška šroubovice

P - zvýšený tlak po zážehu paliva

L1 - šířka zubové mezery na začátku pracovního prostoru

L2 - šířka zubové mezery na konci pracovního prostoru

S1 - nižší hodnota stoupání šroubovice, tj. průmět závitu ve směru k zážehu

S2 - zvýšená hodnota stoupání šroubovice, tj. průmět závitu ve směru k výfuku.

Rozdíl šířek závitových mezer a rozdílu stoupání šroubovice je si roven takto:

L1 + S2 = S1 + L2, a tedy platí že: L2 - L1 = S2 - S1

Veškeré síly roztáčející rotory působí na jeho obvodu. Pro zjednodušení a vysvětlení působících sil je možné rozvinout vyznačenou pracovní komoru do rovinného tvaru.

Síly působící na šroubovici lze rozdělit na dva směry. Síly působící ve směru osy rotoru a síly působící ve směru tečen. Síly působící ve směru osy rotoru mají opačný směr, a tedy se navzájem vyruší. Zůstanou tedy síly F1 a F2.

Na kratší stěnu hnacího rotoru 2 (směrem k zážehu) působí tečná síla F1, která je rovna součinu tlaku P, stoupání S1 (respektive šířky mezery L1) a výšky šroubovice VZ.

Na delší stěnu hnacího rotoru 2 (směrem k výfuku) působí tečná síla F2, která je rovna součinu tlaku P, stoupání S2 (respektive šířky mezery L2) a výšky šroubovice VZ.

Výsledná tečná síla F roztáčející rotor je rovna rozdílu sil F2 - F1

F = F2 - F1 = P x S2 x VZ - P x S1 x VZ = Px VZ x (S2 - S1), respektive F = P x VZ x (L2 L1).

Výsledná síla je tedy rovna součinu tlaku P, výšky šroubovice VZ a rozdílu stoupání, respektive rozdílu šířek mezer. Vzhledem k tomu, že stoupání S2 je větší než stoupání S1, působí výsledná síla F na rotor ve směru síly F2, to je ve směru k výfuku a roztáčí ho. Tuto vlastnost má pracovní komora po celou dobu expanze. Převod z tepelné energie na práci probíhá plynule.

Průmyslová využitelnost

Šroubový spalovací motor je využitelný s různými druhy paliva od klasických, jako je benzín, nafta, zemní plyn, tak zejména i nových perspektivních paliv - jako je směs zemního plynu s vodíkem, syntetické palivo, čistý vodík - u kterých lze dosáhnout daleko nižších zplodin a u čistého vodíku i nulových, díky čemuž může sloužit jako udržitelný a k životnímu prostředí šetrný pohon pro různé druhy zařízení.

Claims (1)

1. Šroubový spalovací motor s rozdílnými průměry rotorů sestávající ze skříně motoru (1) a nejméně ze dvou rotorů, většího, hnacího rotoru (2) a menšího, těsnicího rotoru (3), vyznačující se 5 tím, že rotory (2, 3) mají různé vnější průměry, jsou opatřeny šroubovicemi s proměnným stoupáním a vzájemně do sebe zapadají, a že stoupání šroubovice je upraveno tak, že na počátku rotoru je vytvořena oblast (4) pro sání a kompresi, za ní následuje oblast (5) pro zážeh paliva a za ní následuje oblast (6) pro expanzi a výfuk, přičemž průřez čili šířka šroubovice, tvořící kompresní a následnou expanzní oblast (4, 6) motoru, se v kompresní oblasti (4) plynule zužuje a v expanzní oblasti (6) 10 plynule rozšiřuje.