CZ288431B6 - Rotary internal combustion engine - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká rotačního spalovacího motoru s vnitřním spalováním, obsahujícího stacionární skříň, válcový rotor mající prstencovou stěnu a uložený uvnitř skříně, jádrový stator uložený uvnitř skříně a obklopený prstencovou stěnou otočného válcového rotoru, přičemž stator je opatřen prostředky pro přívod, rozvádění a odvádění pracovní látky a výstupním hřídelem spojeným s rotorem pro odvádění výstupního výkonu motoru, prstencová stěna obsahuje nejméně dvě řady radiálně probíhajících průchodů s kruhovým průřezem, kterými jsou tvořeny příslušné kompresní a pracovní válce, rozmístěné v odstupech od sebe podél osy otáčení, každý z válců motoru prochází celou tloušťkou prstencové stěny a obsahuje volně, vratně a otočně pohyblivé kulovité písty.

Dosavadní stav techniky

V US-PA 094 708 je popsán spalovací motor, který je zdokonalením řešení obsaženého v US-PS 5 257 599, a který je opatřen kulovitými písty, odvalujícími se po kruhové vačkové dráze, jejichž střed otáčivého pohybuje přesazen stranou od středu otáčení válců spalovacího motoru. Kulovité písty se kromě odvalování po obvodové vačkové ploše krouživým pohybem pohybují rovněž vratnými pohyby vůči příslušným válcům motoru. Rychlost pohybu každého z kulovitých pístů po jeho kruhové dráze a také rychlost vratných pohybů se výrazně mění v průběhu jednoho cyklu otáčení motoru.

Nerovnoměrná lychlost pohybu kulovitých pístů podél jejich kruhové dráhy má za následek určité prokluzování nebo smekání kulovitých pístů místo čistě odvalovacího pohybu podél vačkového povrchu zejména v průběhu změn rychlosti pohybu. Tato skutečnost způsobuje značné opotřebení jednotlivých součástí v důsledku vznikajícího kluzného tření a je také příčinou vyššího hluku při chodu motoru. Kromě toho se ukazuje, že nerovnoměrný pohyb může vyvolávat nahromadění kulovitých pístů v jedné části každého rotačního cyklu, což vede k nevyváženému chodu motoru a zvyšuje jeho vibrace.

Podstata vynálezu

Nevýhody tohoto známého rotačního spalovacího motoru jsou odstraněny u radiálního spalovacího motoru s kulovitými písty podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že motor obsahuje stacionární vačkové ústrojí s prstencovou dráhou, vymezenou dvojicí hran vytvořených v odstupech od sebe uvnitř válcové skříně a obklopujících každou řadu válců motoru, prstencová dráha má osu shodnou s osou otáčení rotoru, každá dvojice hran je v kontaktu se všemi kulovitými písty v příslušné řadě a vzájemný odstup těchto hran je po obvodu rozdílný pro zajištění rovnoměrného valivého pohybu každého kulovitého pístu po kruhové dráze a také jeho konstantního relativního vratného pohybu uvnitř každého válce.

U tohoto řešení podle vynálezu zajišťuje jediná vačková konstrukce rovnoměrný krouživý pohyb každého kulovitého pístu po kruhové dráze a konstantní relativní vratné pohyby kulovitých pístů uvnitř každého válce motoru.

Ve výhodném provedení motoru podle vynálezu je odstup hran od sebe proměnný v rozsahu 360° jedné otáčky a dráha je vytvořena uvnitř skříně a obklopuje každou kruhovou řadu válců motoru. Každý z válců motoru je ve směru ke svému otevřenému konci zúžen do válcového hrdla se zmenšeným průměrem, propojeným se statorem. Průřezová plocha každého z válců motoru je rovna dvojnásobku průřezové plochy jejich hrdla v zúžené části.

-1 CZ 288431 B6

Podle dalšího výhodného provedení vynálezu jsou písty uloženy ve válcích s možností úniku části plynu kolem pístů, a jsou opatřeny ústrojím pro recirkulaci unikajících plynů a jejich přívod do nasávaného vzduchu vstupujícího do kompresních válců.

Spalovací motor obsahuje v dalším výhodném provedení ústrojí pro vstřikování paliva a přívod stlačeného vzduchu do pracovních válců motoru v průběhu části rotačního cyklu pro spalování paliva a expanzi plynů uvnitř pracovních válců, ústrojí pro odstraňování produkty expanze z pracovních válců v průběhu jiné části rotačního cyklu. Stator je opatřen zapalovacím ústrojím pro zapálení stlačeného vzduchu obsahujícího palivo uvnitř pracovních válců a chladicím ústrojím pro chlazení stlačeného vzduchu, vstupujícího do válců motoru.

Radiální spalovací motor, využívající kulovitých pístů podle základního provedení vynálezu, neobsahuje běžné válce pro plunžrové písty, spojovací kliky, klikové hřídele a další kmitající převodové prvky. Místo toho motor podle vynálezu obsahuje válcový rotor se dvěma nebo více řadami radiálně uspořádaných válců. V každém z těchto válců se pohybuje kulovitý píst po dráze, jejíž osa je shodná s osou rotoru a výsledkem toho je v podstatě rovnoměrný vratný pohyb kulovitých pístů ve dvou vzájemně opačných směrech.

Válcový rotor obsahuje skupinu rotujících válců a kulovité písty uvnitř každého válce se odvalují kolem vnitřní stěny skříně motoru podél speciálně vytvořené vačky s další kruhovou dráhou a jsou udržovány na této dráze odstředivými silami. Tyto dva popsané kruhové útvary jsou umístěny vzájemně soustředně, přičemž výsledkem tohoto uspořádání jsou vratné pohyby každého kulovitého pístu uvnitř jeho příslušného válce. Vačka je vytvarována tak, aby zajistila v podstatě rovnoměrný vratný pohyb každého kulovitého pístu uvnitř svého příslušného válce.

Jednotlivé válce motoru jsou upraveny pro stlačování palivové směsi (tyto válce jsou nazývány v dalším popisu kompresními válci), pro zapalování směsi, pro spalování palivové směsi a pro expanzi stlačené směsi (tyto válce jsou v dalším popisu nazývány pracovními válci).

Kulovité písty v kompresních válcích plní funkci nasávacích a kompresních prvků, stlačujících nasávaný vzduch. V průběhu jedné otáčky motoru procházejí všechny kulovité písty v kompresních válcích fází nasávacího zdvihu a kompresního zdvihu, načež stlačený vzduch prochází na vnější straně motoru do vřazeného chladiče.

Stlačený vzduch s přidaným palivem se potom vede dopravním potrubím do pracovních válců. Jakmile se dostane dávka směsi paliva a vzduchu z dopravního potrubí do válců s kulovitými písty, tvořících pracovní válce, projde příslušný válec kolem zapalovací trubky v vnitřním plamínkem pro zapálení vpravené dávky palivové směsi.

Ovládací vačka je v oblasti pracovních válců vytvořena tak, že při zapálení směsi ve válcích se začíná pohyb kulovitých pístů směrem ven. Po úplné expanzi plynů v průběhu pracovního zdvihu se otevře výfukový otvor a kulovité písty se pohybují směrem dovnitř a vytlačující přitom z vnitřního prostoru válců zplodiny spalování. Rozměry pracovních válců a délka zdvihu kulovitých pístů je volena s ohledem na potřebu dosažení úplné expanze odpadních produktů spalování. Ve výhodném provedení vynálezu jsou použity dvě řady pracovních válců s jednou řadou kompresních válců.

U spalovacího motoru podle vynálezu je tak možno podstatně omezit prokluzování a smekání kulovitých pístů nebo jejich hromadění v některých částech dráhy, jako se to vyskytuje u popsaných známých provedení tohoto typu motoru.

Předmětem vynálezu je tedy v podstatě rotační spalovací motor s kulovitými písty, které mají podstatně zlepšené ovládání svého pohybu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže objasněn pomocí příkladů provedení zobrazených na výkresech, kde znázorňují:

-2CZ 288431 B6 obr. 1 svislý řez spalovacím motorem, zobrazený částečně schematicky, ukazující princip řešení motoru podle vynálezu, jehož písty jsou ve spodní a homí úvrati, vedený rovinou 1-1 z obr. 7, obr. 1A schematické zobrazení dráhy kulovitých pístů v průběhu jejich otáčení o 360°, obr. 2 řez motorem, vedený rovinou 2-2 z obr.5, obr. 3 řez motorem, vedený rovinou 3-3 z obr.5, obr. 4 řez motorem, vedený rovinou 4-4 z obr.5, obr. 5 pohled na motor, vedený z roviny 5-5 z obr. 1, obr. 6 řez motorem, vedený rovinou 6-6 z obr.1, obr. 7 řez motorem, vedený rovinou 7-7 z obr.1, obr. 8 řez motorem, vedený rovinou 8-8 z obr.1, obr. 9 řez motorem, vedený rovinou 9-9 z obr.1, obr. 10 řez motorem, vedený rovinou 10-10 z obr. 1 a obr. 11 pohled na motor, vedený z roviny 11-11 z obr. 1.

Šipky zobrazené na všech výkresech určují směr pohybu rotujících součástí a směr proudění různých látek.

Popis příkladných provedení

Na obr. I,2a5ažllje zobrazen spalovací motor 10 obsahující stacionární válcovou skříň 12 s vnější stěnou 14, koncovou stěnou 16 a válcovým otvorem 18. Tento válcový otvor 18 je překryt uzávěrem 22 obsahujícím odebratelnou koncovou stěnu 24, připevněnou pomocí šroubů 25 k válcové skříni 12 spalovacího motoru, a dutý válcový stator 26, zasahující do válcové skříně 12.

V prstencovém prostoru mezi statorem 26 a vnější stěnou 14 válcové skříně 12 je umístěn rotor 28 mající prstencovou stěnu 30, koncovou stěnu 31 a výstupní hřídel 32, procházející otvorem 33 v koncové stěně 16 válcové skříně 12, kterým se odvádí hřídelový výkon spalovacího motoru 10.

V prstencové stěně 30 rotoru 28 jsou vytvořeny tři řady prstencově uspořádaných skupin válců 34, 36, 38, rozmístěných v odstupech od sebe, ve kterých jsou uloženy příslušné kulovité písty 42.44, 46.

Jak je patrno z obr. 7, každý válec, například první válec 34, je tvořen radiálně probíhající válcovou dírou s koncovým kulovitým úsekem 34B ve formě zúžení průměru válce 34, na který dosedá kulovitý píst 42, jak je to zobrazeno na obr. 7, a hrdlem 34C, takže první válec 34 prochází celou prstencovou stěnou 30 rotoru 28, jak je to zobrazeno.

První válce 34 jsou v tomto příkladu znázorněny jako kompresní válce, zatímco válce 36, 38 jsou v tomto příkladném provedení určeny k plnění úkolů, které budou popsány v další části.

Vnitřní plocha 48 vnější stěny 14 skříně 12 je vytvořena s jedinou vačkovou konstrukcí, na které jsou vedeny kulovité písty 42. Tato konstrukce tvoří prstencovou dráhu 52 ve formě kapsy, zobrazené také na obr. 1, vytvořené ve vnitřní ploše 48 a sloužící k účelu, který rovněž bude popsán v další části. Jak vnitřní plocha 48 vnější stěny 14 válcové skříně 12, tak také vnější plocha prstencové stěny 30 rotoru 28 jsou válcové a mají stejnou osu X otáčení.

Osa Y, která je přesazena vůči ose X do strany, jak je to patrno z obr. 7, je středovou osou válcové vnější plochy vnější stěny 14 válcové skříně 12. Šířka vstupu do dráhy 52, zobrazené na obr. 1 a 1A, která je rovna vzdálenosti mezi bočními vnějšími hranami A, B dráhy 52, se mění po obvodu vnitřní plochy takovým způsobem, aby se pístům 42 poskytla možnost rovnoměrného zrychlení uvnitř každého válce 34.

Je třeba poznamenat, že kulovité písty se ve skutečnosti nepohybují vratnými pohyby, ale obíhají po přibližně kruhové dráze, ovšem pouze uvnitř každého válce se jejich pohyb jeví jako vratný pohyb ve dvou vzájemně opačných směrech.

-3CZ 288431 B6

Hloubka dráhy 52 ve vnější stěně 14 se po obvodu mění, aby dráha 52 mohla do sebe přijmout kulovité písty 42, přičemž stejné konstrukční řešení platí pro další kulovité písty 44, 46. Hrany A, B tvořící vodicí dráhy, po kteiých se kulovité písty 42. 44. 46 odvalují, jsou umístěny na vnitřní ploše 48 vnější stěny 14 válcové skříně 12.

Kulovité písty 42 se pohybují a odvalují po hranách A. B při otáčení rotoru 28. jak je to schematicky zobrazeno na obr. IA, takže při změnách šířky mezery mezi hranami A, B se kulovité písty 42 pohybují vratnými pohyby uvnitř válců 34.

Odstředivé síly udržují kulovité písty 42 v kontaktu s hranami A, B. Kulovité písty 42 se nikdy nedotýkají jiné části dráhy 52 než jejích hran A, B, jak je to zobrazeno na výkresech. Kulovité písty 42 se při svém odvalování podél hran A, B také pohybují po oběžné dráze, jak již bylo v předchozí části řečeno.

Z obr. 1, 2, 3, 4 a 7 je zřejmé, že při otáčení rotoru 28 z místa TDC do místa BDC se kulovité písty 42 pohybují směrem ven, takže do válců 34 je v průběhu části tohoto cyklu nasáván vzduch vzduchovým vstupním otvorem 54, umístěným ve statoru 26. Stator 26 je také opatřen vzduchovým přívodním potrubím 56. které přivádí vzduch od skupiny vzduchových přívodních otvorů 58. zobrazených také na obr. 5.

Při pohybu z místa BDC do místa TDC se kulovité písty 42 pohybují směrem dovnitř a tím stlačují vzduch, dokud se tento stlačený vzduch nevypustí otvorem 64 ve statoru 26 bezprostředně před místem TDC. Stlačený vzduch opouští stator 26 výfukovým otvorem 64 pro stlačený vzduch (obr. 5), aby potom mohl procházet mezistupňovým chladičem 66, zobrazeným schematicky na obr. 1. Mezistupňový chladič 66 má běžné konstrukční řešení a využívá okolní vzduch pro chlazení stlačeného vzduchu.

Z obr. 1 a 8 je patrno, že válce 36. 38 jsou plněny stlačeným vzduchem z mezistupňového chladiče 66 potrubím 68 pro přívod směsi paliva a vzduchu ve statoru 26 a plnicími otvoiy 72, 73. Palivo se vstřikuje do stlačeného vzduchu nejméně jednou vstřikovací tryskou 74, umístěnou v potrubí 68 pro přívod směsi paliva a vzduchu.

Jak je patrno z obr. 3, k zapálení této palivové směsi slouží zapalovací svíčka 76, umístěná uvnitř zapalovací trubice 78 ve statoru 26, vyústěné do válců 36, 38 plnicími otvory 72, 73 v místě TDC.

Ve válcích 36, 38 dosedají kulovité písty 44. 46 na obdobné vačkové hrany C, D. E. F, vytvořené na okrajích příslušných drah 82, 84. jak bylo popsáno v předchozí části.

Při pohybu z místa TDC do místa BDC probíhá expanzní zdvih s následně probíhající výfukovou fází, jak je to zobrazeno na obr. 8, kdy výfukové plyny odcházejí výfukovým otvorem 86 krátce před dosažením místa TDC. Výfukové zplodiny odcházejí výfukovým potrubím 88 a výfukovým výstupem 92 do výfukového systému 94. Na výfukovém výstupu 92 je našroubována matice 95. která udržuje v požadované poloze destičku 95A obsahující vzduchové přívodní otvoiy 58.

Jak je zobrazeno také na obr. 6, plyny unikající kolem pístů 42. 44, 46 přicházejí do prstencové komory 96 a potom jsou přiváděny vratnými otvory 98 do přívodního potrubí 56 pro recyklaci. Kulovité písty a válce jsou navrženy s vůlemi, aby se umožnil určitý únik plynů a tím se omezilo tření na minimum.

Největší dotyková oblast se nachází mezi vnitřní plochou rotoru 28 a vnější plochou statoru 26. Průřezová plocha každého válce, například válce 34, nad kulovitým úsekem 34B je rovna dvojnásobku průřezové plochy hrdla 34C. Toto uspořádání vede k vyrovnání sil mezi rotorem 28 a statorem 26 a k dalšímu snížení tření.

Při provozu spalovacího motoru 10 působí válce 36, 38, obsahující kulovité písty 44, 46, v průběhu expanzního zdvihu, popsaného v předchozí části, silou na příslušné vačkové hrany C, D, E. F a tím uvádějí rotor 28 do otáčivého pohybu a rotor 28 potom jednak dodává

-4CZ 288431 B6 prostřednictvím hřídele 32 užitečný výkon a jednak zajišťuje současně stlačování vzduchu ve válcích 34·

Speciální vačková konstrukce umožňuje kulovitým pístům produkovat rotační kinetickou energii v průběhu otočení motoru o 180° z místa TDC do místa BDC Jestliže se dotykové body pohybují po každé kulovité ploše podobně jako při pohybu hračky jojo. Tato kinetická energie je potom využívána pro podporu pohybu pístů směrem dovnitř proti působení dostředivých sil v průběhu dalších 180°. Mechanická konstrukce zajišťuje motoru výrazně plynulejší chod. Vynecháním klikových hřídelů a spojovacích klik jsou odstraněny vibrace vyvozované dosud pohybem těchto částí motoru.

Použitím děrovaného válcového statoru pro přívod dávek palivové směsi a pro vytvoření výfukového potrubí je motoru umožněno pracovat ve čtyřdobém mechanickém cyklu bez použití sacích ventilů a výfukových ventilů. Utěsnění mezi rotorem a statorem je udržováno regulováním vůlí a volbou účinné plochy proti vnitřnímu prostoru každého válce, to znamená hrdla 34C. která by měla být rovna polovině průřezové plochy válce, jak bylo v předchozí části popisu popsáno. Účinek tohoto uspořádání se projeví ve vytvoření rovnovážného stavu ve styčné oblasti mezi rotorem a statorem. Výsledkem toho je, že za všech provozních podmínek je vyvážen pozitivní nebo negativní tlak ve válcích, síla přenášená z rotoru na stator je v podstatě vyvážená a tím je sníženo tření a také opotřebení v oblasti mezi rotorem a statorem. Tento znak je důležitý pro dlouhodobé zajištění utěsnění.

I když byly v příkladech provedení předmětu vynálezu popsány jen některé možné realizace vynálezu, rozumí se, že jsou možné další konstrukční varianty a obměny základního provedení vynálezu, které spadají do rozsahu ochrany.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Rotační spalovací motor s vnitřním spalováním, obsahující stacionární skříň (12), válcový rotor (28) mající prstencovou stěnu (30) a uložený uvnitř skříně (12), jádrový stator (26) umístěný uvnitř skříně (12) a obklopený prstencovou stěnou (30) otočného válcového rotoru (28), stator (26) je opatřen prostředky pro přívod, rozvádění a odvádění pracovní látky a výstupním hřídelem (32) spojeným s rotorem (28) pro odvádění výstupního výkonu motoru, přičemž prstencová stěna (30) obsahuje nejméně dvě řady radiálně probíhajících průchodů s kruhovým průřezem, kterými jsou tvořeny příslušné kompresní a pracovní válce (34, 36), rozmístěné v odstupech od sebe podél osy otáčení, každý z válců (34, 36) motoru prochází celou tloušťkou prstencové stěny (30) a obsahuje volně, vratně a otočně pohyblivé kulovité písty (42, 44), vyznačující se tím, že obsahuje stacionární vačkové ústrojí sprstencovou dráhou (52), vymezenou dvojicí hran (A, B, C, D) vytvořených v odstupech od sebe uvnitř válcové skříně (12) a obklopujících každou řadu válců (34, 36) motoru, kde prstencová dráha (52) má osu (X) shodnou s osou otáčení rotoru (28), a každá dvojice hran (A, B, C, D) je v kontaktu se všemi kulovitými písty (42, 44) v příslušné řadě, přičemž vzájemný odstup těchto hran (A, B, C, D) je po obvodu rozdílný pro zajištění rovnoměrného valivého pohybu každého kulovitého pístu (42, 44) po kruhové dráze a také jeho konstantního relativního vratného pohybu uvnitř každého válce (34, 36).
2. 2. Rotační spalovací motor podle nároku 1, vyznačující se tím, že odstup hran (A, B, C, D) od sebe je proměnný v rozsahu 360° jedné otáčky a dráha (52) je vytvořena uvnitř skříně (12) a obklopuje každou kruhovou řadu válců (34, 36) motoru.
3. 3. Rotační spalovací motor podle nároku 2, vyznačující se tím, že každý z válců (34, 36) motoru je ve směru ke svému otevřenému konci zúžen do válcového hrdla (34C) se zmenšeným průměrem, propojeným se statorem (26).

   -5CZ 288431 B6
4. 4. Rotační spalovací motor podle nároku 3, vyznačující se tím, že průřezová plocha každého z válců (34, 36) motoru je rovna dvojnásobku průřezové plochy jejich hrdla (34C).
5. 5. Rotační spalovací motor podle nároku 2, vyznačující se tím, že písty (42, 44) jsou uloženy ve válcích (34, 36) s možností úniku části plynu kolem pístů (42, 44), a jsou opatřeny ústrojím pro recirkulaci unikajících plynů ajejich přívod do nasávaného vzduchu vstupujícího do kompresních válců.
6. 6. Rotační spalovací motor podle nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že obsahuje vstřikovací ústrojí pro vstřikování paliva a přívod stlačeného vzduchu do pracovních válců (36) motoru v průběhu části rotačního cyklu pro spalování paliva a expanzi plynů uvnitř pracovních válců (36), a ústrojí pro odstraňování produkty expanze z pracovních válců (36) v průběhu jiné části rotačního cyklu.
7. 7. Rotační spalovací motor podle nároku 6, vyznačující se tím, že stator (28) je opatřen zapalovacím ústrojím pro zapálení stlačeného vzduchu obsahujícího palivo uvnitř pracovních válců (36).
8. 8. Rotační spalovací motor podle nároku 6, vyznačující se tím, že obsahuje chladicí ústrojí pro chlazení stlačeného vzduchu, vstupujícího do válců (36) motoru.