SK282248B6 - Rotačný motor s vnútorným spaľovaním - Google Patents

Abstract

Motor (10) je vybavený stacionárnou skriňou (12) obsahujúcou otočný rotor (28) s prstencovou stenou (30), v ktorej sú vytvorené najmenej dva rady radiálne prebiehajúcich prechodov kruhového prierezu, tvoriacich kompresné a pracovné valce (34, 36, 38) motora, rozmiestnené v odstupoch od seba okolo osi (X) otáčania. Každý z valcov (34, 36, 38) motora obsahuje voľné, vratne pohyblivé a rotačné guľovité piesty (42, 44, 46). Vo vnútri skrine je umiestnená stacionárna vačka, obklopujúca všetky rady valcov (34, 36, 38) motora. Každá vačka je tvorená dvojicou hrán (A, B, C, D, E, F), majúcich kruhový priemer a ich osi sú zhodné s osou (X) otáčania rotačných valcov (34, 36, 38) motora. Každá dvojica vačkových hrán je v kontakte so všetkými guľovitými piestami (42, 44, 46) príslušného radu a vzájomný odstup medzi vačkovými hranami sa mení v priebehu jednej otáčky o 360° tak, že guľovité piesty (42, 44, 46) sa pohybujú rovnomernou rýchlosťou vo vnútri každého valca (34, 36, 38) motora.ŕ

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka radiálneho motora s vnútorným spaľovaním s guľovitými piestami, ktoré majú jediné vačkové ústrojenstvo na zaistenie pomerne konštantnej rýchlosti vratného pohybu guľovitých piestov.

Doterajší stav techniky

V patentovej prihláške US 094 708 zo dňa 22. 7. 1993, ktorý je ďalším rozvinutím riešenia obsiahnutého v patentovej prihláške US 889 439 zo dňa 20. 5. 1992, na ktorého predmet bol udelený patent US 5 257 599, je opísaný radiálny motor s vnútorným spaľovaním s guľovitými piestami, odvaľujúcimi sa po kruhovej vačkovej ploche, ktorých stred otáčavého pohybuje predsadený nabok od stredu otáčania valcov spaľovacieho motora. Guľovité piesty sa okrem odvaľovania po obvodovej vačkovej ploche krúživým pohybom, pohybujú tiež vratnými pohybmi proti príslušným valcom motora. Rýchlosť pohybu každého z guľovitých piestov po jeho kruhovej dráhe a tiež rýchlosť vratných pohybov sa výrazne mení v priebehu jedného cyklu otáčania motora.

Nerovnomerná rýchlosť pohybu guľovitých piestov pozdĺž ich kruhovej dráhy má za následok určité prešmykovanie alebo šmýkanie guľovitých piestov miesto čisto odvaľovacieho pohybu pozdĺž vačkového povrchu najmä v priebehu zmien rýchlosti pohybu. Táto skutočnosť spôsobuje značné opotrebovanie jednotlivých súčastí v dôsledku vznikajúceho klzného trenia a je tiež príčinou vyššieho hluku pri chode motora. Okrem toho sa ukazuje, že nerovnomerný pohyb môže vyvolávať „nahromadenie“ guľovitých piestov v jednej časti každého rotačného cyklu, čo vedie k nevyváženému chodu motora a zvyšuje jeho vibrácie.

Podstata vynálezu

Nevýhody tohto známeho rotačného spaľovacieho motora sa odstránili pri radiálnom spaľovacom motore s guľovitými piestami podľa vynálezu, pri ktorom jediná vačková konštrukcia zaisťuje rovnomerný krúživý pohyb každého guľovitého piestu po kruhovej dráhe a konštantné relatívne vratné pohyby guľovitých piestov vo vnútri každého valca motora.

Radiálny motor s vnútorným spaľovaním, využívajúci guľovité piesty podľa základného uskutočnenia vynálezu, neobsahuje bežné valce pre plunžerové piesty, spojovacie kľuky, kľukové hriadele a ďalšie kmitajúce prevodové prvky. Namiesto toho motor, podľa vynálezu, obsahuje valcový rotor s dvoma alebo viacerými radmi radiálne usporiadaných valcov. V každom z týchto valcov sa pohybuje guľovitý piest po dráhe, ktorej os je zhodná s osou rotora a výsledkom toho je v podstate rovnomerný vratný pohyb guľovitých piestov v dvoch vzájomne opačných smeroch.

Valcový rotor obsahuje skupinu rotujúcich valcov a guľovité piesty vo vnútri každého valca sa odvaľujú okolo vnútornej steny skrine motora pozdĺž špeciálne vytvorenej vačky s ďalšou kruhovou dráhou a udržujú sa na tejto dráhe odstredivými silami. Tieto dva opísané kruhové útvary sú umiestnené vzájomne sústredne, pričom výsledkom tohto usporiadania sú vratné pohyby každého guľovitého piestu vo vnútri jeho príslušného valca. Vačka je vytvarovaná tak, aby zaistila v podstate rovnomerný vratný pohyb každého guľovitého piestu vo vnútri svojho príslušného valca.

Jednotlivé valce motora sú upravené na stláčanie palivovej zmesi (tieto valce sa nazývajú v ďalšom opise kompresnými valcami), na zapaľovanie zmesi, na spaľovanie palivovej zmesi a na expanziu stlačenej zmesi (tieto valce sa v ďalšom opise nazývajú pracovnými valcami).

Guľovité piesty v kompresných valcoch plnia funkciu nasávacích a kompresných prvkov, stláčajúcich nasávaný vzduch. V priebehu jednej otáčky motora prechádzajú všetky guľovité piesty v kompresných valcoch fázou nasávacieho zdvihu a kompresného zdvihu, následne stlačený vzduch prechádza na vonkajšej strane motora do zaradeného chladiča.

Stlačený vzduch s pridaným palivom sa potom vedie dopravným potrubím do pracovných valcov. Akonáhle sa dostane dávka zmesi paliva a vzduchu z dopravného potrubia do valcov s guľovitými piestami, ktoré tvoria pracovné valce, prejde príslušný valec okolo zapaľovacej rúrky s vnútorným plamienkom na zapálenie vloženej dávky palivovej zmesi.

Ovládacia vačka je v oblasti pracovných valcov vytvorená tak, že pri zapálení zmesi vo valcoch sa začína pohyb guľovitých piestov smerom von. Po úplnej expanzii píynov, v priebehu pracovného zdvihu, sa otvorí výfukový otvor a guľovité piesty sa pohybujú smerom dovnútra a vytláčajú pritom z vnútorného priestoru valcov splodiny spaľovania. Rozmery pracovných valcov a dĺžka zdvihu guľovitých piestov sa volí s ohľadom na potrebu dosiahnutia úplnej expanzie odpadových produktov spaľovania. Vo výhodnom vyhotovení vynálezu sa použili dva rady pracovných valcov s jedným radom kompresných valcov.

Pri rotačnom motore s vnútorným spaľovaním, podľa vynálezu sa tak môže podstatne obmedziť prešmykovanie a šmýkanie guľovitých piestov alebo ich hromadenie v niektorých častiach dráhy, ako sa to vyskytuje pri opísaných známych vyhotoveniach tohto typu motora.

Predmetom vynálezu je teda v podstate rotačný motor s vnútorným spaľovaním s guľovitými piestami, ktoré majú podstatne zlepšené ovládanie svojho pohybu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález bude bližšie objasnený pomocou príkladov vyhotovení zobrazených na výkresoch, ktoré znázorňujú obr. 1 zvislý rez motorom s vnútorným spaľovaním, zobrazený čiastočne schematicky, ukazujúci princíp riešenia motora podľa vynálezu, ktorého piesty sú v spodnej a hornej úvrati, vedený rovinou 1-1 z obr. 7, obr. 1A schematické zobrazenie dráhy guľovitých piestov v priebehu ich otáčania o 360°, obr. 2 rez motorom, vedený rovinou 2-2 z obr. 5, obr. 3 rez motorom, vedený rovinou 3-3 z obr. 5, obr. 4 rez motorom, vedený rovinou 4-4 z obr. 5, obr. 5 pohľad na motor, vedený z roviny 5-5 z obr. 1, obr. 6 rez motorom, vedený rovinou 6-6 z obr. 1, obr. 7 rez motorom, vedený rovinou 7-7 z obr. 1, obr. 8 rez motorom, vedený rovinou 8-8 z obr. 1, obr. 9 rez motorom, vedený rovinou 9-9 z obr. 1, obr. 10 rez motorom, vedený rovinou 10-10 z obr. 1 a obr. 11 pohľad na motor, vedený z roviny 11-11 z obr. 1.

Šípky zobrazené na všetkých výkresoch určujú smer pohybu rotujúcich súčasti a smer prúdenia rôznych látok.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Na obr. 1, 2 a 5 až 11 je zobrazený motor s vnútorným spaľovaním 10 obsahujúci stacionárnu valcovú skriňu 12 s vonkajšou stenou 14, koncovou stenou 16 a valcovým otvorom 18. Tento valcový otvor 18 je prekrytý uzáverom 22 obsahujúcim odoberateľnú koncovú dosku 24, pripevnenú pomocou skrutiek 25 s valcovou skriňou 12 spaľovacieho motora a dutý valcový stator 26, zasahujúci do valcovej skrine 12.

V prstencovom priestore medzi statorom 26 a vonkajšou stenou 14 valcovej skrine 12 je umiestnený rotor 28 majúci prstencovú stenu 30, koncovú stenu 31 a výstupný hriadeľ 32, prechádzajúci otvorom 33 v koncovej stene 16 valcovej skrine 12, ktorým sa odvádza hriadcľový výkon spaľovacieho motora 10.

V prstencovej stene 30 rotora 28 sú vytvorené tri rady prstencovo usporiadaných skupín valcov 34, 36, 38, rozmiestnených v odstupoch od seba, v ktorých sú uložené príslušné guľovité piesty 42,44, 46.

Ako je zrejmé z obr. 7, každý valec, napríklad prvý valec 34, je tvorený radiálne prebiehajúcou valcovou dierou s koncovým guľovitým úsekom 34B vo forme zúženého priemeru valca 34, na ktorý dosadá guľovitý piest 42, ako je to zobrazené na obr. 7, a hrdlom 34C, takže prvý valec 34 prechádza celou prstencovou stenou 30 rotora 28, ako je to zobrazené.

Prvé valce 34 sú v tomto príklade znázornené ako kompresné valce, zatiaľ čo valce 36, 38 sú v tomto príkladnom vyhotovení určené na plnenie úloh, ktoré budú opísané v ďalšej časti.

Vnútorná plocha 48 vonkajšej steny 14 valcovej skrine 12 je vytvorená s jedinou vačkovou konštrukciou, na ktorej sú vedené guľovité piesty 42. Táto konštrukcia pozostáva z vrecka 52, zobrazeného tiež na obr. 1, vytvoreného vo vnútornej ploche 48 a slúžiaceho na účel, ktorý bude tiež opísaný v ďalšej časti. Ako vnútorná plocha 48 vonkajšej steny 14 valcovej skrine 12, tak tiež vonkajšia plocha prstencovej steny 30 rotora 28 sú valcové a majú rovnakú os X otáčania.

Os Y, ktorá je predsadená vzhľadom na os X nabok, ako je to zrejmé z obr. 7, je stredovou osou valcovej vonkajšej plochy vonkajšej steny 14 valcovej skrine 12. Šírka vstupu do vrecka 52, zobrazeného na obr. 1 a 1A, ktorá sa rovná vzdialenosti medzi vonkajšími hranami A, B vrecka 52, sa mení po obvode vnútornej plochy takým spôsobom, aby sa piestom 42 poskytla možnosť rovnomerného zrýchlenia vo vnútri každého valca 34.

Je potrebné poznamenať, že guľovité piesty sa v skutočnosti nepohybujú vratnými pohybmi, ale obiehajú po približne kruhovej dráhe, avšak len vo vnútri každého valca sa ich pohyb javí ako vratný pohyb v dvoch vzájomne opačných smeroch.

Hĺbka vrecka 52 vo vonkajšej stene 14 sa po obvode meni, aby vrecko 52 mohlo prijať piesty 42, pričom rovnaké konštrukčné riešenie platí pre piesty 44, 46. Hrany A, B tvoriace dráhy, po ktorých sa guľovité piesty 42,44, 46 odvaľujú, sú umiestnené na vnútornej ploche 48 vonkajšej steny 14 valcovej skrine 12.

Guľovité piesty 42 sa pohybujú a odvaľujú po hranách A, B pri otáčaní rotora 28, ako je to schematicky zobrazené na obr. 1A, takže pri zmenách šírky medzery medzi hranami A, B sa guľovité piesty 42 pohybujú vratnými pohybmi vnútri valcov 34.

Odstredivé sily udržujú guľovité piesty 42 v kontakte s hranami A, B. Guľovité piesty 42 sa nikdy nedotýkajú inej časti vrecka 52 ako jeho hrán A, B, ako je to zobrazené na výkresoch. Guľovité piesty 42 sa pri svojom odvaľovaní pozdĺž hrán A, B tiež pohybujú po obežnej dráhe, ako sa už v predchádzajúcej časti spomínalo.

Z obr. 1, 2, 3, 4 a 7 je zrejmé, že pri otáčaní rotora 28 z miesta TDC do miesta BDC sa guľovité piesty 42 pohybujú smerom von, takže do valcov 34 sa v priebehu časti tohto cyklu nasáva vzduch vzduchovým vstupným otvorom 54, umiestneným v statore 26. Stator 26 je tiež vybavený vzduchovým prívodným potrubím 56, ktoré privádza vzduch od skupiny vzduchových prívodných otvorov 58, zobrazených tiež na obr. 5.

Pri pohybe z miesta BDC do miesta TDC sa guľovité piesty 42 pohybujú smerom dovnútra a tým stláčajú vzduch, pokiaľ sa tento stlačený vzduch nevypustí otvorom 64 v statore 26 bezprostredne pred miestom TDC. Stlačený vzduch opúšťa stator 26 výfukovým otvorom 64 pre stlačený vzduch (obr. 5), aby mohol potom prechádzať chladiacim ústrojenstvom 66 (medzistupňový chladič), zobrazeným schematicky na obr. 1. Chladiace ústrojenstvo 66 má bežné konštrukčné riešenie a využíva okolitý vzduch na chladenie stlačeného vzduchu.

Z obr. 1 a 8 je zrejmé, že valce 36, 38 sa plnia stlačeným vzduchom z chladiaceho ústrojenstva 66 potrubím 68 na prívod zmesi paliva a vzduchu v statore 26 a plniacimi otvormi 72, 73. Palivo sa vstrekuje do stlačeného vzduchu najmenej jedným vstrekovacím ústrojenstvom 74 (vstrekovacia dýza), umiestneným v potrubí 68 na prívod zmesi paliva a vzduchu.

Ako je zrejmé z obr. 3, na zapálenie tejto palivovej zmesi slúži zapaľovacie ústrojenstvo 76 (zapaľovacia sviečka), umiestnené vo vnútri zapaľovacej rúrky 78 v statore 26, ktoré vyúsťuje do valcov 36, 38 plniacimi otvormi 72,73 v mieste TDC.

Vo valcoch 36, 38 dosadajú guľovité piesty 44, 46 na obdobné vačkové hrany C, D, E, F, vytvorené na okrajoch príslušných vrecák 82,84, ako je opísané v predchádzajúcej časti.

Pri pohybe z miesta TDC do miesta BDC prebieha expanzný zdvih s následne prebiehajúcou výfukovou fázou, ako je to zobrazené na obr. 8, kedy výfukové plyny odchádzajú výfukovým otvorom 86 krátko pred dosiahnutím miesta TDC. Výfukové splodiny odchádzajú výfukovým potrubím 88 a výfukovým výstupom 92 do výfukového systému 94. Na výfukovom výstupe 92 je na skrutkovaná matica 95, ktorá udržuje v požadovanej polohe doštičku 95A obsahujúcu vzduchové prívodné otvory 58.

Ako je zobrazené tiež na obr. 6, plyny unikajúce okolo piestov 42, 44, 46 prichádzajú do prstencovej komory 96 a potom sa privádzajú vratnými otvormi 98 do prívodného potrubia 56 na rccykláciu. Guľovité piesty a valce sa navrhujú tak, aby sa umožnil určitý únik plynov a tým sa obmedzilo trenie na minimum.

Najväčšia dotyková oblasť sa nachádza medzi vnútornou plochou rotora 28 a vonkajšou plochou statora 26. Prierezová plocha každého valca, napríklad valca 34, nad guľovitým úsekom 34B sa rovná dvojnásobku prierezovej plochy hrdla 34C. Toto usporiadanie vedie k vyrovnaniu síl medzi rotorom 28 a statorom 26 a k ďalšiemu zníženiu trenia.

Pri prevádzke spaľovacieho motora 10 pôsobia valce 36, 38, obsahujúce guľovité piesty 44, 46, v priebehu expanzného zdvihu, opísaného v predchádzajúcej časti, silou na príslušné vačkové hrany C, D, E, F a tým uvádzajú rotor 28 do otáčavého pohybu a rotor 28 potom jednak dodáva prostredníctvom hriadeľa 32 užitočný výkon a jednak zaisťuje súčasne stláčanie vzduchu vo valcoch 34.

SK 282248 Β6

Špeciálna vačková konštrukcia umožňuje guľovitým piestom produkovať rotačnú kinetickú energiu v priebehu otočenia motora o 180° z miesta TDC do miesta BDC, ak sa dotykové body pohybujú po každej guľovitej ploche podobne ako pri pohybe hračky ,jojo“. Táto kinetická energia sa potom využíva na podporu pohybu piestov smerom dovnútra proti pôsobeniu dostredivých síl v priebehu ďalších 180°. Mechanická konštrukcia zaisťuje motoru výrazne plynulejší chod. Vynechaním kľukových hriadeľov a spojovacích kľúk sa odstránia vibrácie doteraz vyvodzované pohybom týchto časti motora.

Použitím dierovaného valcového statora na prívod dávok palivovej zmesi a na vytvorenie výfukového potrubia je umožnené motoru pracovať v štvortaktnom mechanickom cykle, bez použitia sacích ventilov a výfukových ventilov. Utesnenie medzi rotorom a statorom sa udržuje regulovaním vôľou a voľbou účinnej plochy proti vnútornému priestoru každého valca, to znamená hrdla 34C, ktorá by sa mala rovnať polovine prierezovej plochy valca, ako je opísané v predchádzajúcej časti opisu. Účinok tohto usporiadania sa prejaví vo vytvorení rovnovážneho stavu v styčnej oblasti medzi rotorom a statorom. Výsledkom toho je, že pri všetkých prevádzkových podmienkach je vyvážený pozitívny alebo negatívny tlak vo valcoch, sila prenášaná z rotora na stator je v podstate vyvážená a tým sa zníži trenie a tiež opotrebovanie v oblasti medzi rotorom a statorom. Tento znak je dôležitý na dlhodobé zaistenie utesnenia.

I keď boli v príkladoch uskutočnenia predmetu vynálezu opísané len niektoré možné realizácie vynálezu, rozumie sa, že sú možné ďalšie konštrukčné varianty a obmeny základného uskutočnenia vynálezu, ktoré spadajú do rozsahu ochrany.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Rotačný motor s vnútorným spaľovaním, obsahujúci stacionárnu valcovú skriňu (12), rotačné valcové ústrojenstvo (28), obsahujúce prstencovú stenu (30) umiestnenú vo vnútri valcovej skrine (12), stacionárne jadro (26) umiestnené vo vnútri valcovej skrine (12) a obklopené prstencovou stenou (30) rotačného valcového ústrojenstva (28), stacionárne jadro (26) privádzajúce a rozvádzajúce pracovnú látku a výstupné zariadenie a hriadeľ (32) spojený s rotačným valcovým ústrojenstvom (28) na odvádzanie výstupného výkonu motora, pričom prstencová stena (30) obsahuje najmenej dva rady radiálne usporiadaných kruhových prechodov, tvoriacich kompresné a pracovné valce (34), (36) motora umiestnené v odstupoch od seba okolo osi otáčania, z ktorých každý prechádza celou prstencovou stenou (30), a obsahujúce voľné, vratne pohyblivé a rotačné guľovité piesty (42, 44), vyznačujúci sa tým, že obsahuje stacionárne vačkové ústrojenstvo s kruhovou obvodovou dráhou (52) tvorenou dvojicou hrán (AB)(CD) vo vnútri valcovej skrine (12) obklopujúcej každý rad valcov (34,36) motora, a že kruhová obvodová dráha (52) má os (X) zhodnú s osou otáčania rotačného valcového ústrojenstva (28), každá z dvojice hrán (AB) (CD) je v kontakte so všetkými guľovitými piestami (42,44) v určitom rade, a že odstup hrán (AB) (CD) je meniteľný na vytváranie rovnomerného valivého pohybu každého piesta pozdĺž kruhovej dráhy, ako aj konštantného relatívneho vratného pohybu vo vnútri každého valca (34,36).
2. 2. Rotačný motor s vnútorným spaľovaním podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c i sa t ý m , že odstup hrán (AB) (CD) od seba sa mení v rozsahu 360 otáčania a dráha (52) je vytvorená vo vnútri valcovej skrine (12) obklopujúcej každý rad valcov (34,36) motora.
3. 3. Rotačný motor s vnútorným spaľovaním podľa nároku 2, vyznačujúci sa tým, že každý z valcov (34, 36) motora je v smere k svojmu otvorenému koncu zúžený do kruhového hrdla (34C, 36C) so zmenšeným priemerom na spojenie so stacionárnym jadrom (26).
4. 4. Rotačný motor s vnútorným spaľovaním podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že prierezová plocha každého z valcov (34,36) motora sa rovná približne dvojnásobku prierezovej plochy ich hrdla (34c, 36c).
5. 5. Rotačný motor s vnútorným spaľovaním podľa nároku 2, vyznačujúci sa tým, že poloha piestov (42,44) uložených vo valcoch (34, 36) umožňuje únik časti plynu okolo piestov, pričom piesty (42, 44) sú vybavené ústrojenstvom na recirkuláciu takýchto unikajúcich plynov do prívodu vzduchu vstupujúceho do kompresných valcov (34,36).
6. 6. Rotačný motor s vnútorným spaľovaním, podľa niektorého z nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že obsahuje vstrekovacie ústrojenstvo (74) na vstrekovanie paliva a prenos stlačeného vzduchu do pracovných valcov (36) motora v priebehu časti cyklu otáčania na spaľovanie a expanziu vo vnútri pracovných valcov motora (36), a zariadenie na odstránenie produktov expanzie z pracovných valcov (36) motora v priebehu ďalšej časti cyklu otáčania.
7. 7. Rotačný motor s vnútorným spaľovaním podľa nároku 6, vyznačujúci sa tým, že stacionárne jadro (26) obsahuje zapaľovacie ústrojenstvo (74) na zapaľovanie zmesi stlačeného vzduchu a paliva, dodávanej do pracovných valcov (34,36).
8. 8. Rotačný motor s vnútorným spaľovaním podľa nároku 6, vyznačujúci sa tým, že obsahuje chladiace ústrojenstvo (66) na chladenie stlačeného vzduchu vstupujúceho do pracovných valcov (36).