ITMI20002610A1 - ENDOTHERMAL ROTARY MOTOR - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE DESCRIPTION OF INDUSTRIAL INVENTION
“MOTORE ENDOTERMICO ROTATIVO” "ROTARY ENDOTHERMAL ENGINE"
1 -I motori endotermici rotativi esistenti realizzano tutte le fasi de! ciclo termico in un solo giro e sullo stesso volume di aria miscelata .Di conseguenza i volumi disponibili per ciascuna fase sono limitati, la progettazione e’ costretta a forte limitazione nei rapporti fra i parametri fondamentali del progetto stesso, e le soluzioni meccaniche diventano complicate: tutto ciò’ mette in secondo piano i loro indubbi vantaggi. 1 - Existing rotary endothermic engines carry out all phases of the! thermal cycle in a single turn and on the same volume of mixed air. Consequently the volumes available for each phase are limited, the design is forced to severely limit the relationships between the fundamental parameters of the project itself, and the mechanical solutions become complicated: all this overshadows their undoubted advantages.
La soluzione proposta invece mette a disposizione di ciascuna fase una camera a volume variabile, che e’ sempre la stessa ad ogni giro: di conseguenza la soluzione e’molto semplice, e consente inoltre ampia scelta nei valori dei parametri fondamentali del progetto per ottenere le prestazioni desiderate. The proposed solution, on the other hand, provides each phase with a variable volume chamber, which is always the same at each turn: consequently the solution is very simple, and also allows a wide choice in the values of the fundamental parameters of the project to obtain the desired performance.
Sostanzialmente essa consiste in un compressore ed in un motore molto integrati fra di loro, come e’ illustrato dai disegni allegati. Basically it consists of a compressor and a motor that are very integrated with each other, as illustrated in the attached drawings.
Nella Fig. l\a e’ illustrato un cilindro esterno , dotato di pareti laterali e di una parete divisoria ,che costituisce la parte “fissa “ (statore) sia del motore che del compressore. Sulla parte alta di questo statore e’ collocata una scatola (illustrata alla Fig. 4 ) contenente due palette oscillanti, separate dalla parete divisoria sopracitata e normalmente abbassate. In Fig. 1 an external cylinder is shown, equipped with side walls and a dividing wall, which constitutes the "fixed" part (stator) of both the motor and the compressor. On the upper part of this stator there is a box (illustrated in Fig. 4) containing two oscillating vanes, separated by the aforementioned dividing wall and normally lowered.
Nella Fig. l\b e’ illustrato un cilindro interno dotato di due palette fisse, che costituisce la parte rotante (rotore) sia del motore che de! compressore. In Fig. L \ b an internal cylinder equipped with two fixed vanes is shown, which constitutes the rotating part (rotor) of both the motor and the compressor.
I particolari indicati nelle Figure 1 richiamano i seguenti componenti : The details indicated in Figures 1 refer to the following components:
-1 -palette oscillanti di statore (motore e compressore ) -1 - oscillating blades of stator (motor and compressor)
-2-parete laterale di camera anulare --2-Lateral wall of annular chamber
-3-parete divisoria fra motore e compressore -3-partition wall between motor and compressor
-4-sezione di camera anulare del motore --4-Section of annular chamber of the engine
-5-sezione di camera anulare del compressore -5-section of annular chamber of the compressor
-6-paIette fisse del rotore (motore e compressore ) -6-fixed rotor blades (motor and compressor)
-7-vano di separazione fra le palette del rotore -7-separation compartment between the rotor blades
-8-disco di rotore --8-disc rotor
-9-asse di rotore -9-axis rotor
-10-superficie retorica delle camere anulari -10-rhetorical surface of the annular chambers
L’accoppiamento del rotore con lo statore, con le palette di rotore separate dalla parete divisoria di statore e le palette di statore abbassai e, reai izza quattro camere cilindriche a volume variabile con la rotazione del rotore: esse sono utilizzate per ottenere contemporaneamente ad ogni giro gli eventi qui’ di seguito illustrati (con riferimento ai diagrammi di Fig. 2 e di Fig. 3 ). The coupling of the rotor with the stator, with the rotor blades separated by the stator partition wall and the stator blades lowered, creates four cylindrical chambers with variable volume with the rotation of the rotor: they are used to obtain at the same time each I turn the events illustrated below (with reference to the diagrams of Fig. 2 and Fig. 3).
In entrambi i diagrammi , la Camera 1 e’ quella delimitata dalla paletta statorica abbassata e la paletta rotante, la Camera 2 e’ quella delimitata dalla paletta rotante e la paletta statorica abbassata. In both diagrams, Chamber 1 is the one bounded by the lowered stator vane and the rotating vane, Chamber 2 is the one bounded by the rotating vane and the lowered stator vane.
Nella Fig. 2,che si riferisce al motore, la sequenza degli eventi e’ la seguente : In Fig. 2, which refers to the motor, the sequence of events is as follows:
e la successione degli interventi degli azionamenti e’ la seguente: and the sequence of interventions of the drives is as follows:
Nella Fig. 3, che si riferisce a! compressore, la sequenza degli eventi e’: In Fig. 3, which refers to! compressor, the sequence of events is:
mentre la successione degli interventi degli azionamenti e’ : while the sequence of interventions of the drives is:
Nella situazione illustrata e’ necessario un piccolo serbatoio di interfaccia per aria compressa fra la valvola di emissione dell’aria compressa e la valvola di immissione, perche’ l'aria compressa prodotta in un giro e’ disponibile leggermente in anticipo rispetto al suo utilizzo nello stesso giro. E’possibile realizzare il suo transfer diretto, con un progetto leggermente diverso da quello presentato. In the illustrated situation, a small interface tank for compressed air is needed between the compressed air outlet valve and the inlet valve, because the compressed air produced in one revolution is available slightly in advance of its use in the same ride. It is possible to carry out his direct transfer, with a slightly different project from the one presented.
La totalità’ degli azionamenti che presiedono alla realizzazione delle sequenze operative illustrate nei diagrammi, e’ sistemata in una unica scatola innestata sulle due camere anulari, come e’ illustrato schematicamente nella Fig. 4. 1 particolari sono cosi’ illustrati : The totality of the drives that preside over the implementation of the operational sequences illustrated in the diagrams, is arranged in a single box grafted onto the two annular chambers, as shown schematically in Fig. 4. The details are illustrated as follows:
-VI -paletta oscillante in posizione aperta -VI - swinging blade in open position
-V2-paletta oscillante in posizione chiusa -V2-oscillating vane in closed position
-1 -motore: luce emissione filmi -1 -motor: light emission films
-2-motore: valvola immissione aria compressa -2-motor: compressed air intake valve
-3 -motore : attacco iniettore -3 -motor: injector connection
-4-motore : attacco candela -4-engine: spark plug connection
-5-compressore: valvola emissione aria compressa -5-compressor: compressed air release valve
-6-compressore: luce aspirazione aria fresca -6-compressor: fresh air intake light
-7-motore e compressore: asse di rotazione delle palette oscillanti (comandato da camma) -7-motor and compressor: rotation axis of the oscillating blades (controlled by cam)
Il lavoro di azionamento e’ fornito dal rotore mediante un blocchetto di camme posto sul bordo del rotore stesso. Gli azionamenti delle valvole per l’aria compressa e per i contatti di accensione della candela, sono quelli della tecnologia corrente e quindi non sono richiamati : per la stessa ragione non si entra nei dettagli dei meccanismi di interfaccia fra le camme e gli azionamenti : tuttavia merita sottolineare la eliminazione dell’albero delle camme e della trasmissione con pulegge e catena. The actuation work is provided by the rotor by means of a block of cams placed on the edge of the rotor itself. The actuations of the valves for the compressed air and for the ignition contacts of the spark plug are those of the current technology and therefore are not recalled: for the same reason we do not go into the details of the interface mechanisms between the cams and the actuators: however the elimination of the camshaft and transmission with pulleys and chain deserves to be emphasized.
La Fig. 4 mette in evidenza che ciascuna paletta oscillante, quando e’ abbassata, separa ermeticamente le due camere adiacenti anche nella parte superiore perche’ preme su una apposita struttura della scatola: la posizione inclinata della paletta consente di utilizzare la pressione interna alla camera per aumentare la aderenza alle pareti. Si può’ notare infine che la commutazione della posizione delle palette avviene in assenza di pressione nelle camere adiacenti, e quindi in condizioni ottimali. Fig. 4 highlights that each oscillating vane, when lowered, hermetically separates the two adjacent chambers also in the upper part because it presses on a suitable structure of the box: the inclined position of the vane allows to use the pressure inside the chamber to increase adhesion to the walls. Finally, it can be noted that the switching of the position of the vanes occurs in the absence of pressure in the adjacent chambers, and therefore in optimal conditions.
3 -E’ importante verificare se il rendimento volumetrico della soluzione proposta e’ paragonabile almeno a quello dì un motore alternativo a due tempi di potenza analoga,cioe’ relativamente basso ma accettabile. 3 - It is important to check whether the volumetric efficiency of the proposed solution is at least comparable to that of a two-stroke reciprocating engine of similar power, i.e. relatively low but acceptable.
Occorre completare la descrizione della meccanica della soluzione proposta, con la aggiunta di scudi laterali che realizzano l’accoppiamento fra statore e rotore per mezzo di cuscinetti a rotolamento, come schematicamente esemplificato in Fig.5. It is necessary to complete the description of the mechanics of the proposed solution, with the addition of side shields that make the coupling between stator and rotor by means of rolling bearings, as schematically exemplified in Fig.5.
La intercapedine fra questi scudi ed il cilindro rotante e’ piccola e sagomata in modo tale da convogliare verso l’albero le fughe di miscela gassosa che si verificano alla giunzione fra rotore e statore: in tale modo la effettiva “finestra di fuga “ verso l’esterno e’ la minima possibile, perche’ la circonferenza e’ quella dell’albero, e la altezza e’ quella minima consentita da anelli di tenuta resistenti all’usura. The gap between these shields and the rotating cylinder is small and shaped in such a way as to convey towards the shaft the gaseous mixture leaks that occur at the junction between rotor and stator: in this way the effective "escape window" towards the the outside is the minimum possible, because the circumference is that of the shaft, and the height is the minimum allowed by wear-resistant sealing rings.
Anche il percorso delle fughe e’ allungato da una serie di labirinti e difFicoltizzato dall’olio di riempimento (molto piu’ pesante del fluido in fuga ). The path of the leaks is also lengthened by a series of labyrinths and made difficult by the filling oil (much heavier than the escaping fluid).
Si esaminano piu’ in dettaglio i concetti sopra esposti, con riferimento alla Fig. 5 (che prende in considerazione solo un lato del complesso, a titolo di esempio ) .1 particolari evidenziati sono i seguenti : The concepts set out above are examined in more detail, with reference to Fig. 5 (which takes into consideration only one side of the complex, by way of example) .1 details highlighted are the following:
-1 -scatola azionamenti per palette e vavole -1 -box drives for vanes and valves
-2-parete laterale statore -2-side wall stator
-3 -paletta rotore -3 - rotor blade
-4-disco rotore -4-disc rotor
-5 -corona di giunzione fra statore e rotore -5 -joining crown between stator and rotor
-6-coperchio fisso -6-fixed cover
-7-albero con cuscinetto e chiavetta -7-shaft with bearing and key
-8-fondello copri cuscinetto -8-bearing cover
-9-particolare di corona di giunzione -9-detail of junction crown
Il percorso di fuga inizia a livello di giunzione, dove le protezioni sono costituite da rondelle sottili e flessibili inserite in appositi vani con giochi ridotti : le rondelle intercettano il deflusso del fluido gassoso per adesione alle pareti delle rispettive sedi sotto l effetto della presione di deflusso. The escape path begins at the junction level, where the protections are made up of thin and flexible washers inserted in special compartments with reduced play: the washers intercept the outflow of the gaseous fluid by adhering to the walls of the respective seats under the effect of the flow pressure .
Successivamente si incontrano le pareti della intercapedine ,che sono realizzate in modo da costituire una serie di labirinti anulari concentrici a diametri decrescenti fino agli anelli di tenuta sull’albero (non indicati): con questi ostacoli la lunghezza del percorso aumenta di oltre quattro volte : ma per effetto della velocita’ tangenziale dell’olio dovuta alla rotazione, la somma vettoriale con la velocita’radiale centripeta genera un percorso a spirale ancora piu’ lungo. Subsequently, the walls of the cavity meet, which are made in such a way as to form a series of concentric annular labyrinths with decreasing diameters up to the shaft sealing rings (not indicated): with these obstacles the length of the path increases by more than four times: but due to the tangential velocity of the oil due to the rotation, the vector sum with the centripetal radial velocity generates an even longer spiral path.
Le successive laminazioni del fluido abbassano progressivamente la pressione di fuga, e poiché’ la finestra effettiva di uscita e’ ridottissima ,il volume di olio ( misto a gas ) che esce effettivamente e’ modesto. Questo e’anche il volume della miscela che esce dalla giunzione, perche’la sua fuoriuscita e’ contrastata anche dalla contropressione che si crea automaticamente a valle della giunzione. The subsequent laminations of the fluid progressively lower the leakage pressure, and since the effective outlet window is very small, the volume of oil (mixed with gas) that actually comes out is modest. This is also the volume of the mixture that comes out of the junction, because its outflow is also opposed by the back pressure that is automatically created downstream of the junction.
L’ olio in uscita viene convogliato verso un serbatoio e riciclato , ad ogni giro, per mezzo di una pompa di portata limitata : viene cosi’ ricostituita quella che si puo’definire “guarnizione dinamica”. The outgoing oil is conveyed to a tank and recycled, at each turn, by means of a pump of limited flow: in this way what can be defined as "dynamic seal" is reconstituted.
Si verificano fughe anche fra le camere adiacenti del sistema per effetto delle differenze di pressione ; esse vengono contrastate con la corrente tecnologia dei segmenti elastici. Leaks also occur between the adjacent chambers of the system due to the pressure differences; they are contrasted with current spring segment technology.
In conclusione, si può’ affermare che il rendimento volumetrico della soluzione presentata sia almeno in linea con quello dei motori alternativi a due tempi di potenza e velocita’ analoghe. In conclusion, it can be said that the volumetric efficiency of the solution presented is at least in line with that of the two-stroke reciprocating engines of similar power and speed.
4-Si valuta ora il rendimento operativo della soluzione proposta,specialmente sotto il profilo degli attriti generati dallo strisciamento delle palette sulle pareti delle camere. 4-The operating efficiency of the proposed solution is now evaluated, especially in terms of the friction generated by the sliding of the vanes on the walls of the chambers.
Nelle palette statoriche , quando sono abbassate si ha strisciamento solo nel lato di contatto con il rotore : gli altri lati strisciano solo durante la commutazione della posizione . Le palette retoriche strisciano con tre lati ;quindi in totale striscia un intero perimetro di paletta sia nel motore che nel compressore. In the stator vanes, when they are lowered, there is sliding only on the side in contact with the rotor: the other sides only crawl during the change of position. The rhetorical vanes crawl with three sides; then in total it crawls an entire perimeter of the vane in both the engine and the compressor.
I perimetri di attrito sono circa uguali a quelli di un motore alternativo di potenza e velocita’ analoghe: ma nella soluzione proposta il percorso della paletta e’ maggiore ad ogni giro, e per ciò’ gli attriti sono superiori.La differenza e’ in parte compensata dalla mancanza dei manovellismi e delle trasmissioni per l’albero a camme. The friction perimeters are approximately equal to those of a reciprocating engine of similar power and speed: but in the proposed solution the path of the vane is greater at each revolution, and for this reason the frictions are higher. compensated by the lack of cranks and transmissions for the camshaft.
5-Per valutare il rendimento termico, si precisa che il ciclo seguito e’ quello di Lenoir-Clerk illustrato nella Fig. 6, dove i simboli hanno il seguente significato : 5-To evaluate the thermal efficiency, it is specified that the cycle followed is that of Lenoir-Clerk illustrated in Fig. 6, where the symbols have the following meaning:
-PA-pressione ambiente -PA-ambient pressure
-VA-volume di aria ambiente aspirata dal compressore -VA-volume of ambient air sucked in by the compressor
-VC-volume a cui si e’ ridotto VA dopo la compressione -VC-volume to which VA was reduced after compression
-PC-pressione di compressione a cui si trova VC -PC - compression pressure at which VC is located
-PE-pressione di esplosione, conferite a VC per effetto della esplosione -PE-explosion pressure, given to VC due to the effect of the explosion
-VE-volume a fine della espansione -VE-volume at the end of the expansion
L’aspetto piu’ rilevante di questo ciclo e’ che la espansione della miscela gassosa prosegue fino al raggiungimento della pressione ambiente per lo scarico dei fumi, perche’ il volume di espansione non e’ vincolato a quello di aspirazione.Nel grafico di Fig. 6 il volume di espansione VE e’circa il doppio di quello di aspirazione VA : contrariamente a quanto succede nei motori altemativi,dove la espansione e’ incompiuta,perche’ il volume di espansione e’ uguale a quello di aspirazione. The most important aspect of this cycle is that the expansion of the gaseous mixture continues until the ambient pressure is reached for the exhaust of the fumes, because the expansion volume is not bound to the intake volume. 6 the expansion volume VE is about double that of the intake VA: contrary to what happens in alternative engines, where the expansion is incomplete, because the expansion volume is equal to that of the intake.
L’espansione fino alla pressione atmosferica (o di poco superiore ) consente di realizzare un maggiore lavoro utile ad ogni giro oltre a valori di pressione e temperatura medie effettive inferiori. Un altro vantaggio di tipo termico a favore della soluzione proposta,e’ rappresentato dalla cessione di calore dalla Camera 1 del motore alle Camere 1 e 2 del compressore; fornendo quindi un contributo alla formazione della pressione nell’aria in compressione. The expansion up to atmospheric pressure (or slightly higher) allows you to perform more useful work at each turn in addition to lower effective average pressure and temperature values. Another thermal advantage in favor of the proposed solution is represented by the transfer of heat from Chamber 1 of the engine to Chambers 1 and 2 of the compressor; thus providing a contribution to the formation of the pressure in the compressed air.
Il rendimento termico della soluzione proposta e’ migliore di quello di un motore alternativo. Riassumendo, il rendimento totale della soluzione proposta può’ essere considerato dello stesso ordine di grandezza di quello dei motori alternativi di riferimento : restano pero’ a suo favore tutti i vantaggi già’ riconosciuti ai motori alternativi ,ai quali si aggiungono la semplicità’ costruttiva e la grande varieta’di configurazioni derivate, come quelle illustrate qui’ di seguito. The thermal efficiency of the proposed solution is better than that of an alternative engine. In summary, the total efficiency of the proposed solution can be considered to be of the same order of magnitude as that of the reference alternative motors: however, all the advantages already recognized to alternative motors remain in its favor, to which are added the simplicity of construction and the great variety of derivative configurations, such as those illustrated below.
6-Un inedito ed importante aspetto di questa soluzione e’ la possibilità’ di realizzare piu’ cicli completi nello stesso giro. 6-An unprecedented and important aspect of this solution is the possibility of carrying out more complete cycles in the same lap.
Per esempio, aumentando il diametro e quindi la circonferenza di rotazione, si possono ospitare due percorsi completi, ciascuno dei quali e’ realizzato in mezzo giro: naturalmente lo statore deve essere dotato di una seconda scatola di azionamenti collocata a 180 gradi rispetto alla precedente. For example, by increasing the diameter and therefore the circumference of rotation, two complete paths can be accommodated, each of which is made in half a turn: of course the stator must be equipped with a second drive box located at 180 degrees compared to the previous one.
Inoltre si può’ scegliere fra due modalita’diverse, a proposito della tempistica di esecuzione di questi due cicli. Una modalità’ consiste nell’eseguire il secondo ciclo successivamente al primo: in questo caso il rotore sara’ dotato di una sola coppia di palette, come descritto nei punti precedenti. La seconda modalità’ consiste nella esecuzione del secondo ciclo contemporaneamente al primo: in questo caso il rotore sara’ dotato di due coppie di palette, a 180 gradi fra di loro. Furthermore, you can choose between two different modes, regarding the timing of execution of these two cycles. One way is to carry out the second cycle after the first: in this case the rotor will be equipped with only one pair of blades, as described in the previous points. The second mode consists in the execution of the second cycle at the same time as the first: in this case the rotor will be equipped with two pairs of blades, at 180 degrees between them.
Un altro modo per ottenere motori di potenza elevata e’ l’ accoppiamento sullo stesso albero di piu’ moduli di base (un giro per ciclo) sfasando opportunamente i rotori fra di loro per ottenere un coppia media complessiva meglio distribuita nel giro. Another way to obtain high power motors is the coupling on the same shaft of several basic modules (one revolution per cycle) by appropriately phase-shifting the rotors between them to obtain an overall average torque better distributed in the revolution.
Assiemando moduli a due cicli in pacchetti come sopra descritti, si possono ottenere potenze elevate con coppia ben distribuita quasi come in una turbina,ma con dimensioni e velocita’ assai piu’ ridotte. By assembling two-cycle modules in packages as described above, it is possible to obtain high powers with well distributed torque almost like in a turbine, but with much smaller dimensions and speeds.
L’esempio presentato prevede uguale diametro per il motore e per il compressore, ma e’ possibile progettare moduli nei quali le due camere anulari sono accoppiate con diametri diversi fra di loro: ciò’ consente al progettista maggiore elasticità’ di soluzioni. The example presented provides for the same diameter for the motor and for the compressor, but it is possible to design modules in which the two annular chambers are coupled with different diameters: this allows the designer greater flexibility of solutions.
E’ per esempio il caso di motocompressori di aria o gas ed anche di motopompe, dove la integrazione di funzioni diverse, ma realizzate attraverso una unica rotazione, può’ essere molto spinta. For example, this is the case of air or gas motor-driven compressors and also of motor pumps, where the integration of different functions, but carried out through a single rotation, can be very high.
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