CZ3912U1 - Rotační spalovací motor - Google Patents

Description

Rotační spalovací motor

Oblast techniky

Užitný vzor se týká širokého oboru strojírenské techniky. Lze jej aplikovat v oblastech, kde se jako zdroje kroutícího momentu využívá pístových spalovacích motorů.

Dosavadní stav techniky

Tam, kde doposud jako zdroje kroutícího momentu nelze využít elektromotorů, je využíváno v převážné míře spalovacích motorů. Zvyšování účinnosti stávajících spalovacích motorů je možné pouze na základě zásadní změny v jejich konstrukci. Wankelovy motory s rotujícím pístem trpí řadou nedostatků, které se dosud nepodařilo úspěšně vyřešit. Pístové motory jsou již téměř na vrcholu možností, a ani v kombinaci s turbodmychadlem již nelze očekávat výraznější zvýšení jejich účinnosti. Převodem přímočarého pohybu pístu na pohyb kruhový, průchody mrtvými body, změnami smyslu pohybu pístů a neefektivním rozkladem působení sil na ojnici dochází ke značným ztrátám energie expandujícího média, což je limitujícím faktorem pro účinnost daného motoru. Kromě nízké účinnosti pístového motoru, která je taktéž limitujícím faktorem pro spotřebu paliva a tedy i provozní náklady, je zde řada dalších nedostatků jako např. - nedokonalé spalování paliva, jehož důsledkem je vysoký obsah škodlivin ve výfukových plynech, neklidný chod, zapříčiněný dynamickými rázy charakteristickými pro pístové motory, relativně nedostatečná životnost a spolehlivost a poměrně značná konstrukční složitost a tedy i značné výrobní náklady. Zásadní změna v koncepci konstrukce spalovacích motorů a odstranění výše uvedených nedostatků je náplní návrhu užitného vzoru.

Podstata technického řešení

Podstata rotačního spalovacího motoru spočívá v tom, že převod tlaku expandujícího média přímo na rotační válec je proveden ve spalovacím prostoru vymezeném uzávěrkami a ventily umístěnými na vnějším pevném válci a zubem vnitřního rotačního válce. Na plášti vnitřního rotačního válce je podélný nálitek tvaru protaženého zubu, který plní funkci pístu a zabezpečuje přenos tlaku expandujícího média na rotor ve smyslu žádané rotace. Základem rotačního spalovacího motoru jsou dva duté souosé válce, z nichž vnitřní, s výše uvedenou úpravou, je rotační vnější válec je pevný. Na vnějším pevném válci je speciální nálitek, kde jsou umístěny sací a výfukové uzávěrky, sací a výfukové ventily, rozvodový a aretační mechanismus a spalovací prostor s tryskami a svíčkami, které mají stejnou funkci jako u klasických pístových motorů. Výbušná směs je vytvářena tak, že do komprimovaného vzduchu ve spalovacím prostoru je palivovým vstřikováno zápalné médium. Zapálení směsi je v závislosti na stupni komprese realizováno buď vznětem nebo zážehem. Stejně jako u pístových motorů je možno v zájmu zvyšování výkonů rotační motor doplnit turbodmychadlem.

Výhodou navrhovaného řešení je podstatně lepší zhodnocení energie paliva, nebot tlak expandujícího média je využít v rámci

-1CZ 3912 U celé otáčky, nedochází k energetickým ztrátám při rozkladu sil na ojnici a tření ve válcích, v jejichž důsledku pak dochází u pístových motorů k jejich přehřívání a dalším tepelným ztrátám, což zase zpětně souvisí s jejich nízkou účinností. Jsou zde minimalizovány hmoty konající vratný pohyb, což je příznivé nejen pro energetickou bilanci, ale i pro klidný chod a dimenzování součástí. Pro již zmíněnou energetickou bilanci bude vždy podstatné získání maximálního momentu z minimálního středního efektivního tlaku současně s minimálním ztrátovým tlakem. Radiální těsnicí prvky opisují čistý kruh a vhodnou aplikaci poznatků z vývoje Wankelových motorů na těsnicí prvky a uzávěrky je možno docílit minimalizace ztrátového tlaku současně s minimalizací ztrát třením. Rovněž odpadá složitý chladicí systém, neboť energie paliva je ve značně vyšší míře transformována na energii kinetickou a tepelné ztráty jsou podstatně nižší. Vytvořením ventilačních otvorů v čelech pevného i rotačního válce /ev. instalací lopatek v duté části rotačního válce/ dojde k dostatečnému vnitřnímu chlazení motoru. Při optimálním návrhu spalovacího prostoru a optimálním dávkování palivových čerpadel současně dochází k podstatně dokonalejšímu vyhoření směsi a tedy i ke značně ekologičtějšímu provozu. Mohou se využít i méně hodnotná nebo speciální paliva, neboť toto řešení nevyžaduje vysoce kvalitní paliva se značnou antidetonační schopností. Vzhledem k tomu, že zde nedochází k žádným dynamickým rázům, jedná se o ryze rotační pohyb, lze očekávat klidný a tichý chod tohoto motoru a s tím související vysokou spolehlivost. Výhodná je taktéž konstrukční jednoduchost, což je základní podmínkou pro nízké výrobní náklady, nenáročnou údržbu a vysokou životnost.

Přehled obrázků na výkresech

Na přiložených výkresech je zjednodušeně schematicky znázorněn příklad technického řešení rotačního spalovacího motoru - obr. 1 a zjednodušené schéma jednotlivých fází tříotáčkového pracovního cyklu rotačního motoru - obr. 2.

Příklady provedení

Obr. 1 - rotační spalovací motor se skládá z dutého vnitřního rotačního válce 1, na jehož vnějším obvodu je podélný nálitek tvaru protaženého zubu 2. Na protilehlé straně vnitřního rotačního válce 1 je na jeho vnitřní straně vyvažovači nálitek 3.. Rotační válec 1 je navržen s ohledem na moment setrvačnosti tak, že současně plní funkci setrvačníku. Plášť celého motoru má tvar pevného souosého válce 4, jehož vnitřní průměr je roven vnějšímu průměru vnitřního rotačního válce 1 zvětšenému o dvojnásobek výšky zubu 2. Na plášti motoru je nálitek speciálního tvaru 5, ve kterém jsou umístěny spalovací prostor 6., trysky a svíčky 7 sací uzávěrka 8, sací ventily 9, výfuková uzávěrka 10, výfukové ventily ii a rozvodový mechanismus 12. Na čele nálitku je aretační mechanismus /elektromagnetický ev. mechanický/, který definuje polohu uzávěrek v závislosti na úhlovém natočení zubu 2. Spalovací prostor 6. je navrhován s ohledem na požadovaný stupeň komprese a tedy i na předpokládaný režim provozu - vznětový x zážehový. Uzávěrky 8. a 10 jsou řešeny jako zasouvací přepážky oddělující spalovací prostoro 6 od ventilů 9. a 11 a tedy i od sacího a výfukového otvoru. Ventily 9 a 11, rozvodový mechanismus 12, trysky a svíčky 7 jsou prvky z klasických spalovacích motorů. Na základě

-2CZ 3912 U otpimalízačních kritérií je v řadě za sebou umístěno několik sacích a výfukových ventilů 9 a 11, které mohou mít osu pohybu jak radiální, tak diagonální.

Obr. 2 - při popisu funkce rotačního spalovacího motoru využijeme schematického znázornění pracovního cyklu rotačního motoru rozloženého do jednotlivých fází pracovních činností. Uvedení motoru do chodu je totožné jako u pístových motorů - pomocí akumulátoru a startéru dojde k roztočení vnitřního rotačního válce 1. Vycházíme z předpokladu, že zub 2 se nachází v poloze dle 1., sací ventil 9 je otevřen, sací uzávěrka 8 odaretována, výfukový ventil 11 uzavřen, výfuková uzávěrka 10 zaaretována. Při pohybu zubu 2 ve smyslu šipky dochází za zubem 2 k postupné kompresi viz 2. Po průchodu zubu 2 za výfukový otvor viz 3., dochází k odaretování výfukové uzávěrky 11, která sjíždí po čele zubu 2 a uzavírá spalovací prostor 6 viz 4. Současně dochází k uzavření sacího ventilu 9. Po průchodu zubu 2 za spalovací prostor ž. viz 5. dochází ke vstřiku paliva a vznětu /zážehu/ výbušné směsi. Sací uzávěrka 8 zůstává zaaretována. Následkem exploze tlačí expandující médium zub 2 k výfukovému otvoru viz. 6. a po jeho průchodu za výfukový otvor se výfuková uzávěrka 10 opět vrací do původní polohy a odděluje spalovací prostor 6. od výfukového otvoru viz 8.. Po průchodu zubu 2 začíná vytlačovat vyhořelou směs do výfukového otvoru a čelní strana zubu 2 nasává mezi válce 1 a 4 vzduch viz. 9.. Po průchodu zubu 2 za výfukový otvor viz 10. se výfukový ventil 11 uzavře a výfuková uzávěrka 10 zaaretuje. Po průchodu zubu 2 za spalovací prostor 6 se sací uzávěrka 8. odaretuje viz 11. = 1., pracovní cyklus je u konce a začíná další pracovní cyklus.

Průmyslová využitelnost

Příklad technického řešení užitného vzoru je dostatečně zřejmý z přiložených výkresů. Realizace zkušebních prototypů bude závislá na rozpracování do stadia výrobní dokumentace, což by mělo být úkolem pro profesionální konstrukční a vývojové útvary automobilek. Takto koncipovaný motor lze samozřejmě skládat od jednokomorových až po n-komorové, což bude zcela záležet na úvaze konstruktéra. S ohledem na výrobní nenáročnost se jako optimální jeví uspořádání 3-4 komorové, načasované s odstupem 360° ev. 270°, které zajišťuje, že rotační motor je stabilně v tahu a průběh momentu je v rámci jednoho pracovního cyklu vcelku rovnoměrně rozložen. Z hlediska výkonových parametrů lze takto konstruovat výkonové řady od jednotek W až po MW - od mikromotorů až po megamotory. Rotační spalovací motor lze s výhodou využít jako zdroje kroutícího momentu ve všech oborech průmyslové činnosti, všude tam,kde se dnes využívají pístové spalovací motory, neboť bude mít vyšší účinnost, a tedy i nižší provozní náklady, menší nároky na výrobu a údržbu, vyšší životnost a spolehlivost, menší nároky na kvalitu paliva a bude ekologičtější.

Claims (1)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   Rotační spalovací motor vytvořený ze dvou dutých souosých válců, z nichž vnější (4) je pevný, vnitřní (1) je rotační, u něhož je kroutící moment vyvolán přenosem tlaku expandujícího média přímo na vnitřní rotační válec (1), jehož pracovní cyklus je realizován v rámci tří otáček a pracovní režim definován nastavením uzávěrek (8) a 10) a ventilů (9) a (11) v závislosti na úhlovém natočení zubu (2) rotačního válce (l),vyznaču- * jící se tím, že na vnitřním rotačním válci (1) je podélný nálitek tvaru protaženého zubu (2) a na tělese vnějšího pevného válce (4) jsou umístěny sací a výfuková uzávěrka (8) a (10), sací a výfukové ventily (9) a (11), trysky a zapalovací svíčky (7), spalovací prostory (6) a rozvodové a aretační mechanismy (12).