SK6949Y1

SK6949Y1 - Rotačný lopatkový motor

Info

Publication number: SK6949Y1
Application number: SK4-2014U
Authority: SK
Inventors: Ivan Prpiäś
Original assignee: Prpic Ivan
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2014-11-04
Also published as: SK42014U1

Abstract

Princípom funkcie rotačného lopatkového motora je čisto rotačný pohyb jeho rotora (4), uloženého v ložiskách (19) a utesneného tesniacimi krúžkami (17) a (18), s dvomi pracovnými lopatkami (1) a (2) kruhového prierezu, pohybujúcimi sa v kruhovom valci (3), tzv. toruse, v kombinácii so značne rozšíreným systémom spaľovania v predkomôrke (13) a systémom výmeny pracovnej náplne spôsobom, uplatňovaným pri dvojtaktných spaľovacích motoroch. Tým sa dosiahne odstránenie vratného lineárneho pohybu piesta a jeho zložitého prevodu na rotačný pomocou ojničného mechanizmu s kľukovým hriadeľom ako pri doterajšom klasickom spaľovacom piestovom motore. Riadenie procesu nasávania vzduchu, expanzie plynov, výmeny pracovnej náplne a výfuku výfukových plynov v pracovných priestoroch kruhového valca (3) a predkomôrky (13), umiestnenej kolmo na rovinu kruhového valca v oblasti hornej priehradky (6), bude zabezpečené systémom pohyblivých mechanických priehradiek (5) a (6) umiestnených na protiľahlých stranách kruhového valca, a posúvačov (14) a (15) v nasávacom (7) a výfukovom kanáli predkomôrky (13), ovládaných priamo od rotora bez potreby ozubených prevodov.

Description

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka konštrukcie rotačného lopatkového motora, využívajúceho ako pohonnú látku naftu alebo benzín. Technické riešenie z hľadiska výroby prináleží do oblasti strojárstva - konštrukcie spaľovacích motorov a z hľadiska využitia najmä do automobilového priemyslu.

Doterajší stav techniky

Zatiaľ celosvetovo najrozšírenejší typ štvortaktného spaľovacieho piestového motora má veľmi komplikovanú, výrobne a technologicky náročnú konštrukciu, a preto ho môžu vyrábať len úzko špecializovaní výrobcovia s dlhoročnými tradíciami v tejto oblasti. Prakticky jediný patentovaný a v praxi realizovaný rotačný Wankelov spaľovací motor pritom nezaznamenal jednoznačný úspech v rozsahu všeobecného používania, vzhľadom k jeho niektorým významným principiálnym nevýhodám.

Súčasný klasický piestový spaľovací motor má konštrukciu založenú na vratnom lineárnom pohybe piesta vo valci z horného do dolného úvratu a prevode tohto pohybu ojničným a kľukovým mechanizmom na rotačný pohyb, čo je sprevádzané značnými stratami energie, vznikom neželaných vibrácií a hlukom.

Pre možnosť sériovej výroby takéhoto klasického spaľovacieho piestového motora je najskôr potrebné zadanie zdĺhavého a finančne náročného vývoja jeho jednotlivých komponentov, ako sú kľukový hriadeľ, piest, piestne krúžky, klzné ložiská, sací a výfukový ventil, vstrekovacie čerpadlo, vstrekovací ventil, turbodúchadlo, medzichladič, regulátor u špecializovaných svetových výrobcov takýchto komponentov. Súbežne je potrebné navrhnúť ďalšie základné konštrukčné uzly a detaily, ktoré spolu s uvedenými komponentmi tvoria celú zostavu motora, ako sú skriňa motora, hlava valca, blok valcov, vložka valca, ojnica, vačkový hriadeľ, ozubené rozvody, zdvihák, vahadlá, piestny čap, príp. torzný tlmič. Už len tento výpočet základných častí konštrukcie motora ukazuje na jeho zložitosť a výrobnú náročnosť. Po konštrukčnom návrhu a vyrobení funkčnej vzorky je ďalej nevyhnutné overiť správnosť vzájomnej funkcie všetkých týchto častí náročnými krátkodobými i dlhodobými skúškami na skúšobni. Takýto postup však významne znemožňuje (vzhľadom na vysoké finančné a časové nároky) zaviesť prípadnému novému výrobcovi výrobu nového motora, ktorý by však v skutočnosti aj tak nemal žiadne lepšie celkové parametre, ako majú súčasné, už niekoľko desaťročí vyvíjané a vyrábané špičkové piestové spaľovacie motory.

Podstata technického riešenia

Cieľom technického riešenia je zachovanie a vhodné kombinovanie doterajších klasických princípov činnosti štvortaktného spaľovacieho piestového motora, ktoré sú v princípe nemenné, ale s podstatne jednoduchším usporiadaním jednotlivých uzlov konštrukcie, umožňujúcim zásadné zníženie materiálovej, výrobnej a technologickej náročnosti na výrobu nového spaľovacieho motora, zodpovedajúcej podmienkam v súčasnosti dostupnej technologickej úrovne kooperujúcich výrobných príp. vývojových spoločností. Okrem toho je cieľom nového riešenia aj čo možno najväčšie zmenšenie celkového objemu a hmotnosti spaľovacieho motora, radikálne zníženie celkového počtu dielov, z ktorých sa motor skladá, a tiež výrazné zlepšenie niektorých z jeho rozhodujúcich prevádzkových parametrov.

Predložený cieľ rieši a spomenuté nedostatky spaľovacieho piestového motora odstraňuje rotačný lopatkový motor, využívajúci ako pohonnú látku naftu alebo benzín podľa technického riešenia.

Podstata technického riešenia spočíva v tom, že princípom funkcie motora je čisto rotačný pohyb jeho rotora s dvomi pracovnými lopatkami kruhového prierezu, pohybujúcimi sa v kruhovom valci, tzv. toruse, v kombinácii so značne rozšíreným systémom spaľovania v predkomôrke a systémom výmeny pracovnej náplne spôsobom, uplatňovaným u dvojtaktných spaľovacích motorov. Tým sa dosiahne odstránenie vratného lineárneho pohybu piesta a jeho zložitého prevodu na rotačný pomocou ojničného mechanizmu s kľukovým hriadeľom ako pri doterajšom klasickom spaľovacom piestovom motore.

Riadenie procesu nasávania vzduchu, expanzie plynov, výmeny pracovnej náplne a výfuku výfukových plynov v pracovných priestoroch kruhového valca a predkomôrky, umiestnenej kolmo na rovinu kruhového valca v oblasti hornej priehradky, bude zabezpečené systémom pohyblivých mechanických priehradiek, umiestnených na protiľahlých stranách kruhového valca a posúvačov v sacom a výfukovom kanáli predkomôrky, ovládaných priamo od rotora bez potreby ozubených prevodov. Na utesnenie spaľovacieho priestoru a rotora budú použité tesniace krúžky a celý rotor bude uložený v ložiskách.

Výhodami rotačného lopatkového motora v porovnaní s klasickým piestovým spaľovacím motorom môžu byť:

- výrazne lepšie hodnoty celkovej hmotnosti a dosiahnutého výkonu z jednotkového objemu;

- vysoká rovnomernosť chodu celého motora bez vibrácií daná použitím čisto rotačného pohybu vyvážené2

SK 6949 Υ1 ho rotora s lopatkami;

- krútiaci moment motora porovnateľný so súčasným štvorvalcovým piestovým motorom, daný štvornásobne vyšším počtom pracovných fáz za dve otáčky rotora;

- možnosť jednoduchého riešenia (dimenzovaním predkomôrky) pri požiadavke na zvýšenie maximálneho spaľovacieho tlaku;

- výrobná jednoduchosť motora, pretože neobsahuje také materiálovo a výrobne náročné detaily, ako sú hlava valca, sacie a výfukové ventily, ojnice, kľukový hriadeľ, piesty, klzné ložiská, vačkový hriadeľ, ozubené prevody vačkového hriadeľa, príp. torzný tlmič;

- jednoduchosť prevádzky motora, pretože po vyrobení dielov a ich zmontovaní už nie sú potrebné žiadne ďalšie nastavovania motora ani v priebehu jeho životnosti, čo v skutočnosti znamená, že by mal mať vysokú pracovnú spoľahlivosť.

Pritom je možné predpokladať, že problémom na dosiahnutie dostatočnej funkčnosti, spoľahlivosti a životnosti navrhovaného riešenia motora môžu byť:

- utesnenie lopatiek rotora vzhľadom k nevyhnutnosti ich prechodu cez medzeru pre priehradky a ich spojenie s rotorom;

- utesnenie telesa rotora v skrini v priestore medzi lopatkami a uložením v ložiskách;

- zabezpečenie pohyblivosti priehradiek a posúvačov v ich uložení;

- dosiahnutie súčasnej úrovne účinnosti spaľovania a expanzie alebo aspoň priblíženie sa k nej.

Všetky uvedené predpokladané problematické oblasti však budú môcť byť vyriešené v priebehu konštrukčného riešenia s pomocou pevnostných výpočtov a použitím už osvedčených riešení z oblasti strojárstva. Problematika tvorby zmesi, jej spaľovania a expanzie z hľadiska plnenia súčasných predpisov na obsah emisií vo výfukových plynoch by bola riešená výskumnou činnosťou v procese vývoja.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Podstata technického riešenia je bližšie objasnená pomocou obrázkov na priložených výkresoch, kde na obrázku 1 je znázornená funkčná schéma činnosti rotačného lopatkového motora s jednotlivými jeho komponentmi. Na obrázku 2 je uvedený pohľad na predkomôrku v reze s umiestnením vstrekovača, pootočeného o 90°, aby neprekážal ovládaniu posúvačov. Na obrázku 3 je znázornené uloženie rotora s lopatkami v ložiskách, spôsob utesnenia spaľovacieho priestoru kruhového valca a rotora tesniacimi krúžkami.

Príklady uskutočnenia

Príklad uskutočnenia je uvedený na obrázku 3, kde je rotor 4 s dvomi pracovnými lopatkami kruhového prierezu, pohybujúcimi sa v chladenom kruhovom valci 3, uložený v ložiskách 19, čím je umožnený jeho čisto rotačný pohyb. Utesnenie spaľovacieho priestoru kruhového valca 3 a rotora 4 je realizované príslušnými tesniacimi krúžkami 17 a 18. Touto konštrukciou v spojení s pohyblivými priehradkami 5 a 6, posúvačmi 14. 15 a predkomôrkou 13 ie zabezpečená realizácia celého pracovného cyklu štvortaktného spaľovacieho motora za polovicu otáčky rotora 4 rotačného lopatkového motora.

Na obrázku 1 je uvedená funkčná schéma, podľa ktorej sa jednotlivé fázy činnosti klasického štvortaktného piestového spaľovacieho motora - sanie (plnenie), kompresia (stláčanie), expanzia (pracovná fáza), výfuk (vyprázdnenie) - odohrávajú v priebehu polovice otáčky rotora 4 s dvomi lopatkami (lopatka 1 a lopatka 2), pretože sa súčasne využívajú obidve strany týchto lopatiek (predná strana 9 a 11 a zadná strana 10 a 12 z hľadiska ich pohybu v smere otáčania).

Po prechode prvej lopatky 1 cez vysunutú dolnú priehradku 5 a súčasne druhej lopatky 2 cez vysunutú hornú priehradku 6 (odhadom v polohách uhlov 10° a 190°) sa obidve priehradky zatvoria, posúvač sania 14 (obrázok 2) je zatvorený, posúvač výfuku 15 sa otvorí. Otáčaním rotora 4 sa prvá lopatka 1 posúva v kruhovom valci 3 a stláča svojou prednou stranou 9 vzduch, nachádzajúci sa v kruhovom valci 3, súčasne svojou zadnou stranou 10 nasáva čerstvý vzduch cez sací kanál 7 do kruhového valca 3 - tým realizujú dve fázy činnosti spaľovacieho motora, t. j. kompresia a sanie; zároveň sa posúva aj druhá lopatka 2, na ktorej zadnú stranu 12 pôsobia plyny z horenia palivovej zmesi v predkomôrke 13, a predná strana 11 vytláča výfukové plyny do výfukového kanála 8 - tým sa realizujú druhé dve fázy činnosti spaľovacieho motora, t. j. expanzia a výfuk. Pokračovaním otáčania rotora 4 nastane stav, kedy sú približne vyrovnané tlaky v priestore medzi prednou stranou prvej lopatky 9 a zatvoreným posúvačom sania 14 (stlačeným vzduchom) a v priestore medzi zadnou stranou druhej lopatky 12 a predkomôrkou 13 (expanziou plynov) - vtedy sa otvorí posúvač sania 14 a dochádza k presúvaniu stlačeného vzduchu do predkomôrky 13 so súčasným vytláčaním plynov z horenia. Po úplnom naplnení predkomôrky 13 stlačeným vzduchom (príp. aj s určitým prepláchnutím od výfukových plynov) sa zatvorí posúvač výfuku 15, prvá lopatka 1 pokračuje v stláčaní vzduchu do predkomôrky 13

SK 6949 Υί svojou prednou stranou 9 (a súčasne v nasávaní čerstvého vzduchu do kruhového valca 3 zadnou stranou 10), druhá lopatka 2 pokračuje v pracovnej fáze (expanziou) na svojej zadnej strane 12 a vyprázdňovaní (výfuk plynov) valca prednou stranou H. Tesne pred priblížením prvej lopatky 1 k hornej priehradke 6 a druhej lopatky 2 k dolnej priehradke 5 (odhadom v polohách uhlov 170° a 350°) sa zatvorí posúvač sania 14, otvoria sa obidve priehradky 5 a 6, lopatky 1 a 2 prejdú cez medzeru na uloženie priehradiek vo valci, priehradky sa znova zatvoria (odhadom v polohách uhlov 190° a 10°) a posúvač výfuku 15 sa otvorí. Nasleduje vstreknutie dávky paliva vstrekovačom do predkomôrky 13 a jeho zapálenie, horenie a následná expanzia plynov cez kanál s otvoreným posúvacom výfuku 15 na zadnú stranu prvej lopatky 10.

Tým je za polovicu otáčky rotora 4 dokončený celý pracovný cyklus štvortaktného piestového spaľovacieho motora (druhá lopatka 2 pokračuje v činnosti už ako opísaná prvá lopatka 1 a opačne), čo znamená, že za jednu otáčku rotora 4 sa uskutočnia dve pracovné fázy (expanzie). Keďže súčasný štvortaktný piestový spaľovací motor má jeden pracovný zdvih (expanziu) za dve otáčky kľukového hriadeľa, môže sa konštatovať, že rotačný lopatkový motor nahradí súčasný štvortaktný štvorvalcový motor, pričom je zrejmé, že má predpoklady, aby bol výrazne objemovo a váhovo menší s podstatne menším počtom jednotlivých detailov, tvoriacich celú konštrukčnú zostavu.

Z hľadiska pôsobenia jednotlivých plynných médií na lopatky 1 a 2 je možné konštatovať, že za jednu otáčku rotora 4 je každá lopatka vystavená účinku (na predných stranách 9 a 11 počas prvej polovice otáčky) - stlačeného vzduchu a počas druhej polovice otáčky - vytláčaných výfukových plynov, na zadných stranách 10 a 12 počas prvej polovice otáčky - nasávanému vzduchu do valca a počas druhej polovice otáčky - expanzii plynov. Takéto striedanie účinku médií na lopatky - predná strana vždy stláčaný vzduch a vytláčané výfukové plyny (čiže stredné teploty), zadná strana vždy expanzii plynov a nasávanému vzduchu do valca (čiže vysoká a nízka teplota) vytvára priaznivé podmienky na zvládnutie ich tepelného zaťaženia, pretože budú vlastne vnútorne ochladzované nasávaným vzduchom, ktorý bude zároveň odoberať a prevádzať časť tepla z výfukových plynov späť do čerstvej pracovnej zmesi, čo zväčší tepelnú účinnosť motora.

Priemyselná využiteľnosť

Rotačný lopatkový motor podľa technického riešenia je využiteľný ako pohonná jednotka všade tam, kde sa doteraz používa v súčasnosti celosvetovo najrozšírenejší piestový spaľovací štvortaktný (alebo aj dvojtaktný) motor v jeho rôznych variantoch a vo všetkých jeho aplikáciách, najmä však v automobilovom priemysle.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Rotačný lopatkový motor, vyznačujúci sa tým, že jeho rotor (4) tvoria lopatky kruhového prierezu (1) a (2), pohybujúce sa v kruhovom valci (3).
2. Rotačný lopatkový motor podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že predkomôrka (13) je umiestnená kolmo na rovinu kruhového valca (3) v oblasti hornej priehradky (6).
3. Rotačný lopatkový motor podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že pohyblivé priehradky (5) a (6) a posúvače (14) a (15) sú ovládané od rotora (4).
4. Rotačný lopatkový motor podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že medzi rotorom (4) a kruhovým valcom (3) je umiestnený tesniaci krúžok (18) a medzi lopatkou (1, 2) a kruhovým valcom (3) je tesniaci krúžok (17) na utesnenie rotora a spaľovacieho priestoru.
5. Rotačný lopatkový motor podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že rotor (4) s lopatkami kruhového prierezu (1) a (2), pohybujúcimi sa v kruhovom valci (3), je uložený v ložiskách (19).