CZ2012820A3 - Rotační pístový spalovací motor - Google Patents

Abstract

Rotační pístový spalovací motor sestává z rotujícího bloku (2) se třemi radiálně umístěnými válci (16) s písty (5) a vně umístěnou pevnou skříní (1) se dvěma sacími otvory (6) a dvěma výfukovými otvory (7). Mezi rotačním blokem (2) a pevnou skříní (1) jsou těsnící prvky (8). Ojnice (11), (12), (13) jsou připojeny k jednomu klikovému čepu (17) klikové hřídele (3). Mezi klikovou hřídelí (3) a rotujícím blokem (2) je převod (4) pro trojnásobné otáčky klikové hřídele (3) v opačném směru oproti rotujícímu bloku (2). V pevné skříni (1) jsou umístěny na dvou protilehlých místech minimálně dvě zapalovací svíčky (15). Vrtání válců (16) je 2 až 3,5 krát větší než zdvih pístů (5) a veškeré těsnící prvky (8) s přítlačnými pružinami (9), utěsňující prostory válců (16) vůči vnější pevné skříni (1), jsou uloženy ve vybráních (10) v pevné skříni (1).

Description

Vynález se týká konstrukce a uspořádání spalovacího motoru, sestávajícího z rotujícího bloku rotačního tvaru s radiálně umístěnými válci s písty přičemž vně rotujícího bloku válců je umístěna pevná skříň se sacími a výfukovými otvory a rotující blok válců tak tvoří s pevnou skříní šoupátkový rozvod motoru. Písty jsou spojeny ojnicemi s klikovou hřídelí, která se otáčí odlišnými otáčkami než rotující blok válců a je s ním spojena převodem s ozubenými koly.

Dosavadní stav techniky

Jsou známé návrhy dvou, tří i víceválcových řešení motorů s rotujícím blokem rotačního tvaru s radiálně umístěnými válci s písty. Vně tohoto rotujícího bloku válců je umístěna pevná skříň se sacími a výfukovými otvory. Tím, že blok rotuje, koná zároveň funkci šoupátkového rozvodu motoru. Písty jsou spojeny některým ze známých mechanismů na převedení přímého pohybu pístů na rotační s hřídelí motoru a ta je spojena ozubeným převodem s rotujícím blokem s válci. Žádná z těchto konstrukcí nedosáhla širšího rozšíření a použití přes to, že mají nesporný potenciál.

Důvodů proč nebyly tyto motory zatím úspěšné je celá řada. Tyto motory byly navrženy s obvyklým vrtáním a zdvihem a celkové rozměry motoru byly pak příliš velké. Rotace velkého bloku přináší pak problémy s velkými setrvačnými silami, problém deformací velké vnější pevné skříně, problém chlazení válců apod. Další problematické místo těchto motorů bylo utěsnění mezi rotujícím blokem a pevnou skříní. Většinou byly prostory válců utěsněny vůči pevné skříni těsněními umístěnými v rotujícím bloku válců. Na ty pak působí odstředivé síly, které vznikají při rotaci bloku válců. To vedlo k zvýšenému namáhání těchto těsnění, k velkým ztrátám třením a k problémům s mazáním. Taková řešení jsou popsána například ve spisech DE 2732779, DE2153946A1, FR2767156A1.

-2*«·· <í * · » » » · i · ♦ · ♦ t « i

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny u rotačního pístového spalovacího motoru s rotujícím blokem s třemi radiálně umístěnými válci s písty a vně umístěnou pevnou skříní se dvěma sacími a dvěma výfukovými otvory, přičemž tři ojnice jsou připojeny k jednomu zalomení klikové hřídele a mezi klikovou hřídelí a rotujícím blokem je ozubený převod s převodem Nk I Nb = -3 a v pevné skříni jsou umístěny na dvou protilehlých místech minimálně dvě zapalovací svíčky a/nebo dvě vstřikovací trysky. Jeho podstatou je to, že vrtáni válců je 2 až 3,5 krát větší než zdvih pístů a veškeré těsnící prvky, které utěsňují prostory válců vůči vnější pevné skříni, tj. boční a příčné těsnicí prvky, které jsou uloženy v drážkách v pevné skříni motoru, jsou uloženy ve vnější pevné skříni motoru a dosedají na vnější povrch rotujícího bloku.

Všechny tři ojnice mají s výhodou rozvidlené spodní ojniční oko přičemž dvě ojnice jsou asymetrické, shodné a vzájemně do sebe zapadají a třetí ojnice je širší, symetrická a všechny jsou uloženy na jednom pouzdru, které je otočně uloženo na jediném klikovém čepu.

Rotační pístový spalovací motor má ve výhodném provedení písty opatřeny ve stěně otvory pro odvod oleje a rotující blok válců má dutiny pro chladicí olej.

Motor může být s výhodou tvořen násobky tříválcových jednotek, přičemž je s výhodou opatřen společným ozubeným převodem mezi rotujícím blokem a klikovou hřídelí, která má počet zalomení shodný s počtem násobku tříválcových jednotek.

Rotační pístový spalovací motor umožňuje činnost ve čtyřdobém cyklu bez použití zdvižných ventilů. Průřezy výfukových i sacích kanálů jsou velké, relativně rychle se otevírají i zavírají a umožňují maximálně naplnit válec, maximálně využít expanzi a minimalizovat ztráty prouděním v kanálech, a to i za velmi vysokých otáček. Kompresní poměr je možno dosáhnout libovolný. Ve spalovacím prostoru nepřekáží žádné ventily s vysokou teplotou. To zlepší odolnost motoru proti detonacím. Je možno umístit větší počet zapalovacích svíček ve spalovacím prostoru a zajistit optimální prohoření i při velkém vrtání válce a vysokých otáčkách. Spalovací prostor

-3 - « ♦ • · Φ <

lze tvarovat prakticky libovolně tvarem pístu. Lze vytvořit jakékoli antidetonačni štěrbiny. Výhodně lze řešit tvar pístu i kanálů s ohledem na proplachování na konci výfuku a začátku sání. Motor lze velmi dobře vyvážit. Je to vlastně rotující hvězdicový tříválec.

Díky velkému poměru vrtání ku zdvihu a minimalizováním délky ojnic je dosaženo malého vnějšího průměru rotačního bloku a to vede k malým vnějším rozměrů motoru, dobrému využití vnitřního prostoru a malé hmotnosti. Malé rozměry rotujícího bloku a relativně malé otáčky rotujícího bloku vůči klice umožňují dosahovat relativně malých kluzných rychlostí u těsnění na obvodu rotačního bloku.

Díky umístění těsnících prvků rotujícího bloku v pevné skříni motoru, nepůsobí na tyto těsnící prvky žádné odstředivé ani jiné setrvačné síly. To zásadně snižuje nároky na jejich mazání, snižuje mechanické ztráty třením těchto prvků a zvyšuje jejich životnost a spolehlivost.

Toto je výrazná výhoda rotačního pístového motoru ve srovnání s Wankelovým rotačním motorem. Oproti tomuto motoru má pak také lepši utěsnění diky vícenásobnému těsnění rotujícího bloku a plošnému styku těsnících prvků, lepší tvar spalovacího prostoru, vyšší dosažitelnou kompresi, snazší výrobu a opravy.

Díky minimalizaci rozměrů rotačního bloku a snížení kluzných rychlostí na jeho obvodu a proto, že těsnící prvky rotujícího bloku nejsou zatíženy setrvačnými silami, je možné dosahovat velmi vysokých otáček u tohoto rotačního pístového motoru a díky vyšším dosažitelným otáčkám má tento motor i vyšší dosažitelné měrné výkonové a hmotnostní parametry.

Rotační pístový spalovací motor používá klasický klikový mechanismus s písty a pístními kroužky, který je konstrukčně a technologicky přiveden k dokonalosti.

Při použití rotačního motoru pro pohon letounu je výhodou, že motor má malý gyroskopický moment, protože rotující blok válců se otáčí opačnými otáčkami než kliková hřídel. K pohonu vrtule lze navíc s výhodou použít rotující blok válců, který má třikrát nižší otáčky než kliková hřídel.

-4® ♦ ♦ 9 ft < >.

Užití tohoto rotačního pístového spalovacího motoru umožní realizaci jednoduchého, výrobně levného čtyřdobého spalovacího motoru malých rozměrů, s malým počtem pohyblivých součástí, s vyváženým, tichým chodem a vysokými měrnými parametry.

Objasnění obrázků na výkresech.

Rotační pístový spalovací motor podle tohoto vynálezu bude blíže objasněn na příkladném provedení s pomocí přiložených výkresů. Na Obr. 1 je axonometrický pohled na rotační pístový motor s odstraněnou částí vnější pevné skříně a s rotačním blokem v příčném řezu vedeném rovinou procházející osami válců.

Na Obr. 2 je axonometrický pohled na rotační pístový motor dle Obr. 1 ze strany ozubeného převodu mezi rotačním blokem a klikovou hřídelí

Na Obr. 3 je řez rotačním pístovým motorem vedený rovinou procházející osou rotace.

Na Obr. 4 je schematicky znázorněna činnost rotačního pístového spalovacího motoru za jednu otáčku rotujícího bloku v osmi polohách. U každé polohy je uveden úhel otočení rotujícího bloku, přičemž úhel otočení klikové hřídele je opačný a trojnásobný.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příkladný rotační pístový spalovací motor dle Obr. 1 a Obr. 2 je tvořen pevnou skříní

I, ve které je umístěn rotující blok 2 s třemi radiálně umístěnými válci 16 a písty 5. Pevná skříň 1 je opatřena dvěma sacími otvory 6 a dvěma výfukovými otvory 7. Ojnice

II, 12, 13 jsou připojeny k jednomu klikovému čepu 17 klikové hřídele 3 a mezi klikovou hřídelí 3 a rotujícím blokem 2 je ozubený převod 4 s ozubenými koly s poměrem otáček kliky Nk k otáčkám bloku Nb = - 3. V pevné skříni 1 jsou umístěny na dvou protilehlých místech minimálně dvě zapalovací svíčky 15. Kliková hřídel 3 má mazací kanál 18 v klikové hřídeli 3 a písty 5 mají ve stěnách otvory 19 pro odvod mazacího a chladicího oleje. Průměr vrtání válců 16 je u tohoto konkrétního příkladu provedení 2,63 krát větší než zdvih pístů 5 a veškeré těsnící prvky 8 s přítlačnými pružinami 9 jsou umístěny ve vybráních 10 v pevné skříni T Vnější průměr rotujícího bloku 2 je u tohoto konkrétního příkladu provedení jen 2,5 krát větší než vrtání válce 16 a to konkrétně v tomto případě pro motor o celkovém objemu 750 cm³ vychází na 230 mm.

Provedení rotačního pístového spalovacího motoru dle Obr. 3 je shodné s provedením dle Obr. 1. Všechny tři ojnice 11, 12, 13 jsou uloženy na jednom pouzdru 14 a mají rozvidlené spodní ojniční oko, přičemž ojnice 12 a 13 jsou asymetrické, shodné a vzájemně do sebe zapadají. Třetí ojnice 11 je širší a symetrická. Společné pouzdro 14 je otočně uloženo na klikovém čepu 17. V rotujícím bloku 2 jsou vytvořeny dutiny 20 pro chladicí olej.

U rotačního pístového spalovacího motoru je činnost následující. Při otáčení klikovou hřídelí dochází ve válci ke standardnímu čtyřdobému pracovnímu cyklu. Píst 5 nasává náplň do válce 16 ze sacího kanálu 6, pak dochází ke kompresi, zážehu zapalovací svíčkou 15, expanzi a následném výfuku do výfukového kanálu 7. Celý cyklus proběhne během 0,5 otáčky rotujícího bloku 2. Kliková hřídel 3 vykoná při tom 1,5 otáčky na opačnou stranu a relativní pohyb klikové hřídele 3 vůči rotujícímu bloku 2 jsou celé dvě otáčky, které jsou potřeba k provedení čtyřdobého cyklu. Průběh činnosti motoru je schematicky znázorněn na Obr. 4. Pohyb rotujícího bloku 2 je proveden ozubeným převodem 4 od klikové hřídele 3 s převodovým poměrem otáček kliky Nk k otáčkám bloku Nb = - 3. Rotující blok 2 plní v pevné skříni 1 funkci rotačního šoupátka, kdy otvor válce 16 v rotačním bloku 2 postupně otevírá a zavírá sací kanál 6 a později otevírá a zavírá výfukový kanál 7. Těsnící prvky 8 přitlačované přítlačnými pružinami 9 dosedají na rotující blok 2 a utěsňují prostor válců 16 s vyšším tlakem. V době zápalu, kdy je tlak nejvyšší, je mezi otvorem válců 16 a sacím otvorem 6 i výfukovým otvorem 7 umístěno s výhodou více těsnících prvků 8, které zajišťují kvalitní utěsnění prostoru válce 16. Výhodné je když všechny tři ojnice 11, 12,13 mají rozvidlené spodní ojniční oko, protože pak mají všechny stabilní uložení na jednom pouzdru 14 a osy válců 16 mohou být v jedné rovině. Ojnice 12 a 13 pak mají spodní ojniční oko rozvidlené asymetricky a vzájemně do sebe zapadají. Ojnice 11 má široké symetrické rozvidlení ojničního oka kolem ojnic 12 a 13. Pouzdro 14 má velkou činnou styčnou plochu ložiska na klikovém čepu 17 což je výhodné pro jeho únosnost a

-6: » >

« · ♦ ® t * t t životnost. Olej může být přiveden do prostoru pístů 5 kanálem 18 v klikové hřídeli 3 a jeho funkce je mazací a chladící. Velké vrtání válců 16 oproti zdvihu pístů 5 má za následek velkou plochu pístů 5, které je možné účinně chladit tímto olejem. Krátký zdvih pístů 5 snižuje odvod tepla do stěn válců 16. Písty 5 mohou být opatřeny otvory 19 ve svých stěnách, kterými může v jejich dolní úvrati odtékat olej z prostoru pístů 5 do chladicích dutin 20 v rotačním bloku 2. Chlazení pevné skříně 1 je nejlépe provést klasicky vodou. Odběr výkonu může být proveden z klikové hřídele 3 nebo z rotujícího bloku 2, případně z obou zároveň. Rotační pístový motor může být tvořen násobky tříválcových jednotek motoru kdy je společný rotující blok 2 otáčen jedním společným ozubeným převodem 4 mezi rotujícím blokem 2 a klikovou hřídelí 3.

Průmyslová využitelnost.

Rotační pístový spalovací motor dle vynálezu lze použít například k pohonu malých letounů, pohonu motocyklů, závodních automobilů i v dalších aplikacích, kde je prvořadý vysoký výkon při malé hmotnosti a rozměrech motoru. Díky své jednoduchosti a malým rozměrům může najít uplatnění i jako pohon záložních generátorů a podobně. Pokud se podaří výrazně minimalizovat spotřebu mazacího oleje, lze uvažovat i o uplatnění v konvenčních vozidlech nebo vozidlech s hybridním pohonem. Motor je principielně vhodný i pro spalování vodíku či jiných alternativních plynných paliv.

Claims (4)

1. Rotační pístový spalovací motor sestávající z rotujícího bloku (2) se třemi radiálně umístěnými válci (16) s písty (5) a vně umístěnou pevnou skříní (1) se dvěma sacími otvory (6) a dvěma výfukovými otvory (7), přičemž mezi rotačním blokem (2) a pevnou skříní (1) jsou těsnící prvky (8), a ojnice (11), (12), (13) jsou připojeny k jednomu klikovému čepu (17) klikové hřídele (3) a mezi klikovou hřídelí (3) a rotujícím blokem (2) je převod (4) pro trojnásobné otáčky klikové hřídele (3) v opačném směru oproti rotujícímu bloku (2) a v pevné skříni (1) jsou umístěny na dvou protilehlých místech minimálně dvě zapalovací svíčky (15), vyznačující se tím, že vrtání válců (16) je 2 až 3,5 krát větší než zdvih pístů (5) a veškeré těsnící prvky (8) s přítlačnými pružinami (9), utěsňující prostory válců (16) vůči vnější pevné skříni (1), jsou uloženy ve vybráních (10) v pevné skříni (1).

2. Rotační pístový spalovací motor podle nároku 1, vyznačující se tím, že všechny tři ojnice (11), (12), (13) mají rozvidlené klikové ojniční oko, přičemž dvě ojnice (12) a (13) jsou asymetrické, shodné a vzájemně do sebe zapadají a třetí ojnice (11) je symetrická a všechny ojnice (11), (12), (13) jsou uloženy na jednom pouzdru (14), které je otočně uloženo na jediném klikovém čepu (17).

3. Rotační pístový spalovací motor podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že píst (5) je opatřen ve své stěně otvory (19) pro odvod oleje a rotující blok (2) je opatřen dutinami (20) pro chladicí olej.

4. Rotační pístový spalovací motor podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že je tvořen násobky tříválcových jednotek motoru a je opatřen jedním společným ozubeným převodem (4) mezi rotujícím blokem (2) a klikovou hřídelí (3), která má počet klikových čepů (17) shodný s počtem násobku tříválcových jednotek motoru.