ES2293265T3 - Maquina de piston rotatorio. - Google Patents
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Abstract
Un motor rotatorio para usar con fluidos compresibles, comprendiendo el motor: un primer elemento de rotación (1) montado para girar alrededor de un primer eje; una carcasa (2) que tiene una superficie que encierra al menos una parte del primer elemento de rotación, una cavidad alargada con área de la sección transversal variable que está definida entre una superficie del primer elemento de rotación y la superficie de la carcasa y que varía alrededor del primer eje dependiendo del radio del primer elemento de rotación; y una pluralidad de segundos elementos de rotación (3) montados para girar alrededor de segundos ejes respectivos diferentes, estando montado cada segundo elemento de rotación para proyectarse a través de una ranura en la superficie de la carcasa y para cooperar con el primer elemento de rotación de la superficie para dividir la cavidad en partes de trabajo adyacentes, en el que cada segundo elemento de rotación comprende una pluralidad de partes que se proyectan que tienen radios respectivos diferentes alrededor del segundo eje, haciendo los diferentes radios que las partes que se proyectan se proyecten hacia la cavidad en diferentes cantidades respectivas, de manera que los volúmenes de las partes de trabajo varían según giran el primer y los segundos elementos de rotación, en el que, durante el uso, los fluidos en una parte de trabajo experimentan compresión, combustión y expansión como un volumen cerrado, estando definido el volumen cerrado durante la compresión, combustión y expansión por los dos mismos segundos elementos de rotación adyacentes.
Description
Máquina de pistón rotatorio.
Esta invención se refiere a motores
rotatorios
La compresión o expansión de los gases ocurre en
una gran variedad de dispositivos. Los ejemplos bien conocidos
incluyen bombas, compresores, soplantes, extractores, y motores
rotatorios e hidráulicos, todos los cuales incluyen alguna forma de
aparato usado para comprimir o expandir los gases.
Como se ha mencionado anteriormente, los
compresores son dispositivos bien conocidos. Un tipo de compresor
es el compresor recíproco. Los compresores recíprocos tienen la
ventaja de que pueden funcionar a altas presiones. Sin embargo, los
compresores recíprocos tienen un gran número de piezas móviles y,
por lo tanto, son dispositivos relativamente complejos. Otro tipo
de compresor, el compresor Roots, tiene un movimiento rotatorio en
lugar de recíproco y su simplicidad resultante significa que tiene
pocas piezas móviles y es fiable. Independientemente, este tipo de
compresor tiene sus desventajas. Una de dichas desventajas es que
depende de la "contra-compresión" para
aumentar la presión de los gases bombeados. Esto significa que no se
realiza compresión sobre los gases de entrada a baja presión hasta
que entran en contacto y se mezclan con los gases a alta presión
dentro del compresor. Este procedimiento irreversible es ineficaz,
y conduce a mayores necesidades de energía de activación y
temperaturas de salida elevadas del aire.
Otro tipo de compresor rotatorio, el compresor
Lysholm, emplea compresión interna para superar los pro-
blemas provocados por la "contra compresión". Típicamente, estos compresores son significativamente más eficaces. Sin embargo, su rendimiento depende en gran medida de mantener holguras muy pequeñas entre los elementos móviles, lo que presenta considerables problemas de fabricación. El cierre hermético imperfecto entre los elementos conduce a la aparición de fugas de gas, limitando las presiones que pueden obtenerse usando un único compre-
sor.
blemas provocados por la "contra compresión". Típicamente, estos compresores son significativamente más eficaces. Sin embargo, su rendimiento depende en gran medida de mantener holguras muy pequeñas entre los elementos móviles, lo que presenta considerables problemas de fabricación. El cierre hermético imperfecto entre los elementos conduce a la aparición de fugas de gas, limitando las presiones que pueden obtenerse usando un único compre-
sor.
Los compresores de los tipos analizados
anteriormente se usan en motores de combustión interna. En
particular, los compresores rotatorios de tipo Roots, de tornillo
único o Lysholm se usan en motores rotatorios, junto con un
mecanismo de expansión correspondiente que permite extraer el
trabajo durante la expansión de los gases calientes, presurizados.
Los motores rotatorios, como los compresores rotatorios, pueden
tener menos piezas móviles y, por lo tanto, son más fiables que sus
equivalentes recíprocos. Los costes de producción y mantenimiento
también son potencialmente menores. Típicamente, los motores
rotatorios son también menos ruidosos y pueden conseguir más ciclos
de combustión por segundo comparado con los motores recíprocos,
conduciendo así a una mejor proporción de potencia a peso.
El ciclo ideal al que se aproximan la mayoría de
los motores rotatorios de combustión interna es el ciclo de Otto.
Una desventaja del ciclo de Otto es que la cantidad de trabajo que
puede extraerse de los gases calientes, presurizados está limitada
porque la relación de expansión del motor no puede superar su
relación de compresión. Los gases al final de la etapa de expansión
isentrópica del ciclo de Otto pueden realizar más trabajo si se
permitiera una expansión adicional a presión ambiente. Esta
desventaja se supera en el ciclo ideal conocido como ciclo de
Atkinson-Miller. El ciclo de
Atkinson-Miller permite la expansión isentrópica a
presión ambiente, y de esta manera las relaciones de compresión y
de expansión pueden ser diferentes. Se han propuesto numerosos
motores rotatorios de combustión interna usando el ciclo de
Atkinson-Miller. Sin embargo, estos diseños de
motor típicamente tienen muchas piezas móviles, o usan piezas que
son difíciles de fabricar. Los diseños ventajosos del motor
rotatorio son capaces de altas relaciones de compresión de manera
que pueden usarse en motores de compresión-ignición
tales como motores diesel. La potencia de salida de un motor
rotatorio debe ser suave y continua, con vibración mínima. El ruido
y el desgaste mecánico deben ser mínimos.
Se conocen bien diversos motores rotatorios de
tornillo único en los que la compresión y la expansión ocurren en
canales con forma helicoidal que forman en la superficie un bloque
giratorio. Se definen cámaras de trabajo separadas por el canal
helicoidal, una superficie que rodea al bloque giratorio que sella
el canal helicoidal, y ruedas que tienen dientes o paletas que se
engranan con el canal helicoidal. Por ejemplo, el documento GB653185
describe un motor rotatorio en el que la compresión y la expansión
se consiguen proporcionando un canal helicoidal de profundidad
variable y en el que fracciones variables de los dientes o paletas
de la rueda definen las cámaras de trabajo. En el motor del
documento GB653185, la punta de un diente o paleta permanece dentro
del canal, y el diente o paleta está siempre en contacto con el gas
en la cámara de trabajo. Además, la forma de los dientes o paletas
de la rueda no afecta significativamente a la relación de compresión
o de expansión del motor, y la compresión y expansión se realizan
en diferentes partes del motor.
Los documentos US3862623 y US3897756 describen
motores rotatorios en los que un bloque giratorio sólo gira
alrededor de su eje en una fracción de vuelta durante cada ciclo, y
en el que la compresión y expansión ocurre contra los dientes o
paletas de una rueda rotatoria. En estos motores, la profundidad del
canal no varía y, de esta manera, deben usarse dos cámaras de
trabajo diferentes para compresión y expansión, respectivamente.
Los documentos US4003348, US4005682 y US4013046
describen motores rotatorios que tienen diferentes relaciones de
compresión y de expansión. Sin embargo, para controlar el flujo de
combustible y aire, tienen pasos de forma compleja, que presentan
problemas de fabricación significativos. El documento US4013046
describe un motor rotatorio en el que las válvulas se abren y se
cierran durante cada ciclo para controlar el flujo de gases.
Los documentos US2674982, US3208437, US3060910,
US3221717, y US3205874 describen motores rotatorios en los que las
cámaras de trabajo están definidas por ruedas dentadas o con paletas
de toma constante. Sin embargo, en estos motores, la cámara de
trabajo está definida por una primera rueda, y después otra rueda,
de manera que es necesario sellar más de una pieza rotatoria.
De acuerdo con un aspecto de la presente
invención, se proporciona un motor rotatorio para usar con fluidos
compresibles, comprendiendo el motor: un primer elemento de rotación
montado para girar alrededor de un primer eje; una carcasa que
tiene una superficie que encierra al menos una parte del primer
elemento de rotación, una cavidad alargada con área de la sección
transversal variable que está definida entre una superficie del
primer elemento de rotación y la superficie de la carcasa y que
varía alrededor del primer eje dependiendo del radio del primer
elemento de rotación; y una pluralidad de segundos elementos de
rotación montados para girar alrededor de segundos ejes respectivos
diferentes, estando montado cada segundo elemento de rotación para
proyectarse a través de una ranura en la superficie de la carcasa y
para cooperar con el primer elemento de rotación de la superficie
para dividir la cavidad en partes de trabajo adyacentes, en el que
cada segundo elemento de rotación comprende una pluralidad de
partes que se proyectan que tienen radios respectivos diferentes
alrededor del segundo eje, haciendo los diferentes radios que las
partes que se proyectan se proyecten hacia la cavidad en cantidades
respectivas diferentes, de manera que los volúmenes de las partes de
trabajo varían según giran los primeros y segundos elementos de
rotación, en el que, durante el uso, los fluidos en una parte de
trabajo experimentan compresión, combustión y expansión como un
volumen cerrado, el volumen cerrado que se define durante la
compresión, combustión y expansión mediante los dos segundos
elementos de rotación adyacentes iguales.
El primer elemento de rotación y cada uno de los
segundos elementos de rotación tienen un radio variable. La
superficie de la carcasa, que tiene un radio constante, y el primer
elemento de rotación de la superficie para el mismo definen una
cavidad que se extiende alrededor del primer eje. Según el primer
elemento de rotación gira alrededor del primer eje, la cavidad gira
también alrededor del primer eje. Cada uno de los segundos
elementos de rotación se proyecta a través de la superficie de la
carcasa. Según gira cada uno de los segundos elementos de rotación,
varía la cantidad en que se proyectan a través de la superficie de
la carcasa. De hecho, la rotación del primer elemento de rotación y
cada uno de los segundos elementos de rotación está coordinada de
manera que se engranan juntos proporcionando un cierre hermético.
Cada uno de los segundos elementos de rotación define de esta
manera numerosas partes de trabajo de la cavidad. Las partes de
trabajo pueden definirse también mediante el primer elemento de
rotación donde su radio está a un máximo proporcionando un cierre
hermético con la carcasa. Según gira la cavidad alrededor del
primer eje, cambian los volúmenes de las partes de trabajo de la
cavidad, proporcionando de esta manera la compresión o expansión del
fluido que hay en su interior.
Un motor rotatorio puede realizarse, por lo
tanto, de forma que tiene numerosas cualidades deseables mientras
que al mismo tiempo es fácil de fabricar y usar. El motor rotatorio
depende de la compresión interna, evitando de esta manera las
desventajas asociadas con la "contra compresión", tales como
ineficacia. Al mismo tiempo, la simplicidad del diseño permite el
cierre hermético eficaz entre los diversos elementos del motor
rotatorio evitando de esta manera la complejidad de fabricación y
otros problemas asociados con los motores rotatorios de compresión
interna conocidos.
Preferiblemente, el primer y segundos elementos
de rotación comprenden cada uno una pluralidad de segmentos
integrales que tiene cada uno diferentes radios. Para los segundos
elementos de rotación, estos segmentos son las partes que se
proyectan.
Preferiblemente, los segundos elementos de
rotación se distribuyen alrededor de la superficie de la carcasa,
estando montado cada segundo elemento de rotación para girar
alrededor de un eje respectivo que es perpendicular tanto al primer
eje como al radio de la superficie de la carcasa. De esta manera,
pueden definirse numerosas partes de trabajo de la cavidad, y puede
realizarse un procedimiento de compresión y/o expansión
simultáneamente en cada una de ellas.
El primer elemento de rotación puede ser interno
a la superficie de la carcasa, siendo la pluralidad de segundos
elementos de rotación externos a la superficie de la carcasa. En
este caso, el primer elemento de rotación será sustancialmente
cilíndrico. Como alternativa, el primer elemento de rotación puede
ser externo a la superficie de la carcasa, siendo la pluralidad de
segundos elementos de rotación internos a la superficie de la
carcasa. En este caso, el primer elemento de rotación tomará
sustancialmente la forma de un anillo.
El motor rotatorio realiza compresión seguida de
expansión. La rotación del primer elemento de rotación y cada uno
de la pluralidad de segundos elementos de rotación hace que el
volumen de las partes de trabajo de la cavidad se reduzca y después
aumente durante cada ciclo. Como la compresión y expansión las
realizan diferentes porciones de la superficie del primer elemento
de rotación, puede conseguirse un motor que tiene diferentes
relaciones de compresión y de expansión.
Preferiblemente, el motor rotatorio comprende
también un medio de ignición para la ignición de un fluido
comprimido antes de la expansión. Por ejemplo, el medio de ignición
puede comprender una bujía. De esta manera, cuando los gases que
están dentro de una parte de trabajo de la cavidad están a la
presión máxima, puede inducirse un aumento repentino adicional de
presión. Por ejemplo, si los gases son una mezcla de combustible y
oxígeno, una bujía puede inducir la combustión, como en un motor de
gasolina convencional. Como alternativa, si los gases incluyen
oxígeno altamente presurizado; la inyección del propio combustible
puede inducir la combustión, como en un motor diesel convencional.
Pueden usarse otros medios para provocar un aumento repentino
adicional de presión, tales como la inyección de un pequeño volumen
de gas a alta presión, y baja temperatura. El aumento repentino de
presión permite extraer más trabajo durante la expansión que el que
se usó en la compresión, aumentando de esta manera la potencia del
motor.
Preferiblemente, el primer elemento de rotación
comprende también al menos un paso para la entrada de fluido o
salida de fluido. El primer elemento de rotación puede comprender
incluso pasos tanto para la entrada de fluido como para la salida
de fluido. De esta manera, los fluidos pueden atraerse o forzarse
hacia las partes de trabajo de la cavidad, o expulsarse o liberarse
de las partes de trabajo de la cavidad.
La carcasa puede comprender también al menos una
válvula lateral, siendo operativa cada una de la al menos una
válvula lateral como entrada de fluido o salida de fluido sólo
cuando está adyacente a una parte de trabajo de la cavidad, cada
una de la al menos una válvula lateral estando adyacente a una parte
de trabajo de la cavidad para una fracción de un ciclo del
dispositivo. El motor rotatorio puede diseñarse por lo tanto de
manera que el área de la carcasa que contiene una válvula lateral
sólo forma un límite de una parte de trabajo de la cavidad cuando
se desea la entrada de fluido o salida de fluido.
Preferiblemente, cada una de la al menos una
válvula lateral funciona para variar el caudal de un fluido en una
parte de trabajo de la cavidad, para variar la presión de fluido
dentro de una parte de trabajo de la cavidad, o para variar una
relación de compresión o de expansión del motor rotatorio. Las
válvulas laterales pueden proporcionar, por lo tanto, una manera de
controlar el funcionamiento del motor rotatorio.
Preferiblemente, se usa control por
retroalimentación de bucle cerrado para controlar el funcionamiento
de cada una de la al menos una válvula lateral, estando basado el
control por retroalimentación de bucle cerrado en un parámetro
operativo tal como presión de entrada del fluido, presión de salida
del fluido y velocidad de giro. De esta manera, numerosos
parámetros pueden mantenerse en un estado estacionario.
Esta invención proporciona también un motor
rotatorio que comprende dos de los dispositivos rotatorios descritos
anteriormente. De esta manera, los segundos elementos de rotación
respectivos pueden disponerse de manera que las fuerzas netas sobre
el primer elemento de rotación se minimizan. Por ejemplo, esto
podría conseguirse proporcionando un segundo elemento de rotación
desde cada uno de los motores rotatorios en lados opuestos del
primer elemento de rotación integral.
La invención se describirá ahora a modo de
ejemplo con referencia a las siguientes figuras en las que:
Las Figuras 1 y 2 muestran secciones
transversales de un primer motor rotatorio de acuerdo con la
invención en las posiciones primera y segunda, respectivamente;
La Figura 3 muestra una perfil lateral de un
segundo elemento de rotación del primer motor rotatorio de acuerdo
con la invención;
Las Figuras 4 y 5 muestran secciones
transversales del primer motor rotatorio de acuerdo con la invención
en las posiciones tercera y cuarta;
La Figura 6 muestra una sección transversal de
un segundo motor rotatorio de acuerdo con la invención;
La Figura 7 muestra una sección transversal de
un tercer motor rotatorio de acuerdo con la invención;
Las Figuras 8 y 9 muestran secciones
transversales de un cuarto motor rotatorio de acuerdo con la
invención;
Las Figuras 10 a 14 muestran secciones
transversales de un quinto motor rotatorio de acuerdo con la
invención en las posiciones primera a quinta, respectivamente;
Las Figuras 15 y 16 muestran la superficie del
primer elemento de rotación del quinto motor rotatorio de acuerdo
con la invención en las posiciones sexta y séptima,
respectivamente;
La Figura 17 muestra la superficie del primer
elemento de rotación de un sexto motor rotatorio de acuerdo con la
invención;
La Figura 18 muestra una sección transversal de
un séptimo motor rotatorio de acuerdo con la invención;
La Figura 19 muestra una sección transversal de
un octavo motor rotatorio de acuerdo con la invención;
Las Figuras 20 a 27 muestran secciones
transversales del octavo motor rotatorio de acuerdo con la invención
en las posiciones primera a octava, respectivamente;
Las Figuras 28 y 29 muestran secciones
transversales de un noveno motor rotatorio de acuerdo con la
invención en las posiciones primera y segunda, respectivamente;
La Figura 30 muestra la superficie del primer
elemento de rotación del noveno motor rotatorio de acuerdo con la
invención;
La Figura 31 muestra una sección transversal de
un primer compresor;
Las Figuras 32 y 33 muestran la superficie del
primer elemento de rotación del primer compresor en las posiciones
primera a tercera, respectivamente;
La Figura 34 muestra la superficie del primer
elemento de rotación de un segundo compresor;
La Figura 35 muestra una sección transversal de
un tercer compresor;
La Figura 36 muestra la superficie del primer
elemento de rotación del tercer compresor;
La Figura 37 muestra una sección transversal de
un décimo motor rotatorio de acuerdo con la invención;
Las Figuras 38 y 39 muestran secciones
transversales de un undécimo y duodécimo motor rotatorio de acuerdo
con la invención respectivamente;
La Figura 40 muestra un perfil lateral de un
segundo elemento de rotación de un decimotercer motor rotatorio de
acuerdo con la invención;
La Figura 41 muestra una sección transversal de
un decimocuarto motor rotatorio de acuerdo con la invención;
Las Figuras 42, 43, 44 y 45 ilustran
características de los segundos elementos de rotación mostrados en
las figuras 1 a 41; y
La Figura 46 ilustra características de los
dispositivos mostrados en las figuras 1 a 41.
Debe observarse que todas las figuras son
esquemáticas y, por lo tanto, no están a escala. Por ejemplo,
ciertas dimensiones pueden haberse exagerado por claridad.
Las Figuras 1 a 5 muestran un primer motor
rotatorio de acuerdo con la invención. El primer motor rotatorio
comprende un primer elemento de rotación 1, una carcasa 2, tres
segundos elementos de rotación 3a, 3b, 3c, tres bujías 8a, 8b, 8c y
un árbol de salida de energía (no mostrado).
El primer elemento de rotación 1 está montado
para girar alrededor de un primer eje 6. El primer elemento de
rotación 1 es un bloque de material sustancialmente cilíndrico, pero
que tiene grandes variaciones de radio. El primer elemento de
rotación 1 está hecho de acero, aunque los especialistas en la
técnica entenderán que puede hacerse ventajosamente de otros
materiales. Los materiales adecuados para los otros componentes
descritos del primer motor rotatorio serán conocidos también para
los especialistas en la técnica.
El primer elemento de rotación 1 sustancialmente
cilíndrico está formado esencialmente a partir de cuatro segmentos
que tiene cada uno un radio diferente: un segmento de cierre
hermético 1a, un segmento de compresión 1b, un segmento de
combustión 1c y un segmento de expansión 1d. El segmento de cierre
hermético 1a gira un ángulo muy pequeño alrededor del primer eje 6
pero tiene el mayor radio. Cada uno de los segmentos de compresión,
combustión y expansión 1b, 1c, 1d gira ligeramente menos de 120º
alrededor del primer eje.
Durante la rotación, el segmento de cierre
hermético 1a va seguido por el segmento de compresión 1b, que va
seguido por el segmento de combustión 1c, que va seguido por el
segmento de expansión 1d. El radio del segmento de combustión 1c es
ligeramente menor que el radio del segmento de cierre hermético 1a.
El radio del segmento de compresión 1b es menor que el segmento de
combustión 1c. El radio del segmento de expansión 1d es menor que
el segmento de compresión 1b. El primer elemento de rotación 1
comprende también un paso de entrada de fluido 4 y un paso de
salida de fluido 9 adyacente al segmento de cierre hermético 1a.
La carcasa 2 incluye una superficie
sustancialmente cilíndrica de radio constante centrada alrededor del
primer eje 6 y que encierra parcialmente el primer elemento de
rotación 1. La carcasa 2 tiene también paredes finales 2a que
evitan el movimiento axial del primer elemento de rotación 1 a lo
largo del primer eje 6. Las paredes finales 2a proporcionan también
un cierre hermético entre la carcasa 2 y los extremos del primer
elemento de rotación 1.
Se define una cavidad 5a, 5b, 5c entre el primer
elemento de rotación 1 y la carcasa 2. El área de la sección
transversal de la cavidad 5a, 5b, 5c varía alrededor del primer eje
6 dependiendo del radio del primer elemento de rotación 1. Por
ejemplo, el área de la sección transversal de la cavidad es pequeña
donde es adyacente al segmento de combustión 1c, y el área de la
sección transversal de la cavidad es grande donde es adyacente al
segmento de expansión 1d. No hay cavidad adyacente al segmento de
cierre hermético 1a del primer elemento de rotación 1. El segmento
de cierre hermético 1a está, en lugar de ello, en contacto con la
carcasa 2 proporcionando un cierre hermético. El segmento de cierre
hermético 1a forma también el principio y el fin de la cavidad 5a,
5b, 5c. Durante la rotación del primer elemento de rotación 1, la
cavidad 5a, 5b, 5c gira también.
Cada uno de los tres segundos elementos de
rotación 3a, 3b, 3c está montado alrededor de la carcasa 2 a
intervalos de 120º alrededor del primer eje 6. Los segundos
elementos de rotación 3a, 3b, 3c están montados todos a la misma
distancia axial desde los extremos de la carcasa 2. Cada uno de los
segundos elementos de rotación 3a, 3b, 3c está montado para girar
alrededor de ejes respectivos que son perpendiculares al primer eje
6 y un radio del primer elemento de rotación 1. Durante la rotación
de los segundos elementos de rotación 3a, 3b. 3c, cada uno de ellos
se proyecta a través de la carcasa 2 hacia la cavidad 5a, 5b, 5c en
cantidades variables. Se forma un cierre hermético entre cada uno
de los segundos elementos de rotación 3a, 3b, 3c y la carcasa 2.
La Figura 3 muestra un perfil lateral de uno de
los segundos elementos de rotación 3a, 3b, 3c y el eje 7 alrededor
del cual gira. Las Figuras 4 y 5 muestran secciones transversales
del motor, perpendiculares al eje 7. Las Figuras 4 y 5 muestran
claramente las paredes finales 2a de la carcasa 2, así como la
superficie cilíndrica. Puede observarse a partir de la figura 3
que, en común con el primer elemento de rotación 1, cada segundo
elemento de rotación 3a, 3b, 3c está formado esencialmente a partir
de cuatro segmentos que tiene cada uno un radio diferente. El radio
de cada uno de los segmentos del segundo elemento de rotación 3a,
3b, 3c está diseñado de manera que, durante el funcionamiento, cada
uno de los segmentos de cada uno de los segundos elementos de
rotación cooperan con un segmento diferente 1a, 1b, 1c, 1d del
primer elemento de rotación 1 proporcionando un cierre hermético.
Los segundos elementos de rotación 3a, 3b, 3c definen por lo tanto
tres o cuatro partes de trabajo de la cavidad.
Los segundos elementos de rotación 3a, 3b, 3c
son componentes finos y planos. Sin embargo, puede observarse a
partir de las figuras 1 y 2, y como entenderán los especialistas en
la técnica, es necesario un cierto espesor para soportar las
fuerzas presentes en los segundos elementos de rotación 3a, 3b, 3c
durante el funcionamiento. Los especialistas en la técnica
entenderán también que la forma de los segundos elementos de
rotación 3a, 3b, 3c debe diseñarse de manera que se forme un buen
cierre hermético con el primer elemento de rotación 1. Cada uno de
los segundos elementos de rotación 3a, 3b, 3c se accionan para que
giren a la misma velocidad angular que el primer elemento de
rotación. Los especialistas en la técnica conocen bien diversos
mecanismos para accionar los segundos elementos de rotación 3a, 3b,
3c a la misma velocidad angular que el primer elemento de rotación.
Por ejemplo, los elementos pueden conectarse juntos mediante
engranajes.
Cada una de las bujías 8a, 8b, 8c está montada
en la carcasa 2 a intervalos de 120º alrededor del primer eje 6,
entre medias de los segundos elementos de rotación 3a, 3b, 3c. Las
bujías 8a, 8b, 8c se enrasan con la superficie de la carcasa de
manera que no sobresalen hacia la cavidad. Los medios para hacer
funcionar las bujías (no mostrados) los conocerán los especialistas
en la técnica.
Durante el uso, el primer elemento de rotación
se hace girar alrededor del primer eje 6. Haciendo referencia a las
figuras 1 y 4, según gira el primer elemento de rotación 1, los
gases en forma de combustible vaporizado y oxígeno se llevan hacia
el primer motor rotatorio a través del paso de entrada de fluido 4.
Los gases se llevan hacia una parte de trabajo de la cavidad
definida entre el segmento de cierre hermético 1a del primer
elemento de rotación 1 y el segundo elemento de rotación 3a. Esta
cavidad de trabajo se expande según gira el primer elemento de
rotación 1, creando de esta manera un vacío que atrae a los
gases.
La Figura 2 muestra el primer motor rotatorio
con el primer elemento de rotación 1 adelantado en 60º comparado
con la figura 1. El segmento de cierre hermético 1a del primer
elemento de rotación 1 ha girado ahora hasta el segundo elemento de
rotación 3c. La parte de trabajo de la cavidad, por lo tanto, está
definida ahora entre los segundos elementos de rotación 3a y 3c. El
paso de entrada de fluido 4 está a punto de girar pasado el segundo
elemento de rotación 3c, provocando de esta manera que los gases que
se han atraído hacia el motor rotatorio se encierren
completamente.
La rotación adicional del primer elemento de
rotación 1 hace que el segmento de combustión 1c empiece a girar
hacia la parte de trabajo de la cavidad definida entre los segundos
elementos de rotación 3a y 3c. El mayor radio del segmento de
combustión 1c comparado con el segmento de compresión 1b hace que el
volumen de la parte de trabajo de la cavidad se reduzca. Como la
parte de trabajo de la cavidad está totalmente cerrada, la presión
de los gases aumenta. La presión de los gases continúa subiendo
hasta que el volumen de la parte de trabajo de la cavidad alcanza
un mínimo. Este volumen mínimo se alcanza cuando el segmento de
combustión 1c del primer elemento de rotación 1 ha girado
totalmente pasado el segundo elemento de rotación 3a.
En esta posición, los gases comprimidos en la
parte de trabajo de la cavidad se prenden mediante la bujía 8c. La
combustión de los gases provoca un aumento repentino adicional de
presión.
La rotación adicional del primer elemento de
rotación 1 provoca que el segmento de expansión 1d empiece a girar
hacia la parte de trabajo de la cavidad definida entre los segundos
elementos de rotación 3a y 3c. El menor radio del segmento de
expansión 1d comparado con el segmento de combustión 1c provoca que
aumente el volumen de la parte de trabajo de la cavidad. Los gases
altamente presurizados realizan trabajo según se expanden,
aumentando de esta manera la potencia el motor. Los gases continúan
realizando trabajo hasta que el segmento de expansión 1d del primer
elemento de rotación 1 ha girado totalmente pasado el segundo
elemento de rotación 3a. Debido a la compresión y a que los
segmentos de expansión 1b, 1d del primer elemento de rotación 1
tienen diferentes radios, las relaciones de compresión y de
expansión del primer motor rotatorio pueden ser diferentes. La
invención permite por lo tanto el uso eficaz del ciclo de
Atkinson-Miller.
Finalmente, el segmento de cierre hermético 1a
empieza a girar hacia la parte de trabajo de la cavidad definida
entre los segundos elementos de rotación 3a y 3c. Los gases agotados
se fuerzan hacia fuera a través del paso de salida de fluido 9 y
comienza un nuevo ciclo según se atraen gases frescos hacia la parte
de trabajo de la cavidad a través del paso de entrada de fluido
4.
Durante el funcionamiento del motor, el ciclo de
compresión-combustión-expansión
descrito anteriormente se está realizando también simultáneamente
en las cavidades de trabajo definidas entre los segundos elementos
de rotación 3a y 3b, y 3b y 3c. Se puede tomar la energía del primer
motor rotatorio mediante un árbol de salida de energía (no
mostrado) acoplado al primer elemento de rotación 1.
La Figura 6 muestra un segundo motor rotatorio
de acuerdo con la invención. En este motor rotatorio, a los
componentes que realizan la misma función que los mostrados en las
figuras 1 a 5 se les dan los mismos números. El segundo motor
rotatorio tiene un primer elemento de rotación anular 1 que se monta
externo a la carcasa 2. Tres segundos elementos de rotación 3a, 3b,
3c se montan dentro de la carcasa 2. El segundo motor rotatorio
funciona de la misma manera que el primer motor rotatorio,
realizándose un ciclo de
compresión-combustión-expansión
simultáneamente en las partes de trabajo de la cavidad definidas
entre segundos elementos de rotación adyacentes.
La Figura 7 muestra un tercer motor rotatorio de
acuerdo con la invención. En el tercer motor rotatorio, el primer
elemento de rotación 1 es sustancialmente cilíndrico. Sin embargo,
los segmentos de cierre hermético, compresión, combustión y
expansión 1a, 1b, 1c, 1d sobresalen todos en una dirección paralela
al primer eje 6. La carcasa 2, incluyendo las paredes finales 2a
para la misma toma la forma de un anillo que se extiende alrededor
del primer eje 6 con una sección transversal con forma de canal.
Independientemente, el tercer motor rotatorio funciona de una
manera similar al primer y segundo motores rotatorios.
Ventajosamente, el tercer motor rotatorio permite también que se
integren aletas de refrigeración en un lado del primer elemento de
rotación. Otras disposiciones del primer elemento de rotación serán
obvias para los especialistas en la técnica.
En el tercer motor rotatorio, las paredes
finales de la carcasa 2 no son paralelas, estando a un ángulo
\theta entre sí. El ángulo \theta es el ángulo alrededor del
centro del segundo elemento de rotación definido por las
superficies internas de las paredes finales de la carcasa 2a.
Durante el uso, cuando el volumen de la parte de trabajo de la
cavidad está a un mínimo, un segmento de cada uno de los segundos
elementos de rotación que define la parte de trabajo debe
proyectarse simultáneamente hacia la carcasa mediante al menos el
ángulo \theta. En el tercer motor rotatorio, que emplea tres
segundos elementos de rotación, cada uno de los segundos elementos
de rotación está desfasado en un ángulo de 120º. El segmento de los
segundos elementos de rotación correspondiente al segmento de
combustión del primer elemento de rotación debe girar por lo tanto
un ángulo de 120º+ \theta.
Las paredes finales 2a de la carcasa 2 mostradas
en la figura 7 proporcionan una disposición más eficaz que la
mostrada en las figuras 4 y 5 porque el ángulo \theta es
menor.
En los motores rotatorios mostrados en las
figuras 4, 5 y 7, el ángulo \theta debe ser pequeño de manera
que, una vez que un segmento de un segundo elemento de rotación ha
girado hacia la carcasa 2 en un ángulo \theta para formar un
cierre hermético y definir dos partes de trabajo de la cavidad, el
cierre hermético se mantiene hasta que el segmento del primer
elemento de rotación 1 con el que está cooperando ha girado y
pasado. Esto limita el tamaño de la cavidad y de esta manera la
energía que puede producir el motor.
Las Figuras 8 y 9 muestran un cuarto motor
rotatorio de acuerdo con la invención que supera el problema
anterior. El ángulo \theta es mayor en el cuarto motor rotatorio
que en los motores rotatorios primero a tercer. Este aumento del
ángulo \theta se consigue modificando los segmentos que
constituyen el primer elemento de rotación 1 y cada uno de los
segundos elementos de rotación 3a, 3b, 3c. En el cuarto motor
rotatorio, el segmento de cada uno de los segundos elementos de
rotación que coopera con el segmento de combustión 1c del primer
elemento de rotación abarca un ángulo de \theta+120º. Esto
asegura que se defina un cierre hermético entre el segmento de
combustión 1c del primer elemento de rotación y el segundo elemento
de rotación pertinente durante una duración suficiente. Para
acomodar este giro adicional, se reduce el giro del segmento de cada
uno de los segundos elementos de rotación que coopera con el
segmento de compresión 1b del primer elemento de rotación 1. Sin
embargo, el radio de este segmento se aumenta para compensar la
reducción de giro. Esto va acompañado de una reducción
correspondiente en el giro y reducción en el radio del segmento de
compresión 1b del primer elemento de rotación 1.
Cuando los gases se atraen hacia el cuarto motor
rotatorio, se atraen hacia una parte de trabajo de la cavidad que
es adyacente al segmento de compresión 1b del primer elemento de
rotación 1. Aunque este segmento gira un ángulo menor del primer
elemento de rotación 1 que en los motores rotatorios primero a
tercero, el volumen de la parte de trabajo de la cavidad
inmediatamente antes de la compresión es similar porque el radio del
segmento de compresión 1b es más pequeño, dando así un área mayor
de la sección transversal de la cavidad.
Las Figuras 10 a 16 muestran un quinto motor
rotatorio de acuerdo con la invención. En común con el cuarto motor
rotatorio, los radios del segmento de compresión y el segmento de
expansión del primer elemento de rotación 1 son iguales. El
segmento de compresión y el segmento de expansión giran también
ángulos diferentes.
En la figura 10, el extremo del segmento de
cierre hermético del primer elemento de rotación 1 justo acaba de
girar pasado el segundo elemento de rotación 3a, y de está manera se
empieza a atraer a los gases hacia la parte de trabajo de la
cavidad mediante la abertura cerca del segmento del segundo elemento
de rotación 3a que coopera con el segmento de compresión 1b del
primer elemento de rotación 1.
En la figura 11, el motor ha rotado
adicionalmente. Los gases aún se están atrayendo hacia el motor,
aunque esto no se muestra. El segmento del segundo elemento de
rotación 3a que coopera con el segmento de compresión del primer
elemento de rotación 1 ha girado ahora hacia el primer elemento de
rotación, formando de esta manera un cierre hermético y definiendo
dos partes de trabajo de la cavidad.
En la figura 12, el motor casi ha girado para
cooperar con el segmento de combustión del primer elemento de
rotación 1.
En la figura 13, el motor ha girado 120 grados
más. En el otro extremo de la parte de trabajo de la cavidad, el
elemento de rotación está en la posición mostrada en la figura 12.
Los gases están ahora a su compresión máxima y ocurre la
combustión.
En la figura 14, el motor ha girado
adicionalmente. El segundo elemento de rotación 3a está cooperando
ahora con el segmento de expansión del primer elemento de rotación
1. Los gases, por lo tanto, están realizando trabajo según se
expanden.
La rotación adicional del motor hace que el
segundo elemento de rotación 3a vuelva a la posición mostrada en la
figura 10, punto en el cual los gases están totalmente expandidos.
Adicionalmente también, la rotación del motor hace que los gases
agotados se expulsen del motor, como se muestra en la figura 11.
Las Figuras 15 y 16 muestran la superficie del
primer elemento de rotación 1 del quinto motor rotatorio. Las
Figuras 15 y 16 muestran también las posiciones relativas de los
segundos elementos de rotación 3a, 3b, 3c. En la figura 16, el
primer elemento de rotación 1 ha girado 60º comparado con la figura
15. Las áreas sombreadas muestran las superficies del primer
elemento de rotación 1 que define la cavidad, y los segundos
elementos de rotación 3a, 3b, 3c.
La Figura 17 muestra la superficie del primer
elemento de rotación 1 de un sexto motor rotatorio de acuerdo con
la invención. La 17 muestra también las posiciones relativas de los
segundos elementos de rotación 3. El sexto motor rotatorio tiene
seis segundos elementos de rotación 3 que realizan el ciclo de
compresión-combustión-expansión en
seis partes de trabajo de la cámara. El proporcionar seis segundos
elementos de rotación 3 permite situarlos individualmente en lados
opuestos del primer eje 6, equilibrando de esta manera las fuerzas
generadas durante la combustión. Esto minimiza las fuerzas netas en
el primer elemento de rotación 1, y asegura que el centro de masas
del primer elemento de rotación 1 se encuentre en el primer eje
6.
La Figura 18 muestra una sección transversal de
un séptimo motor rotatorio de acuerdo con la invención. El séptimo
motor rotatorio tiene también seis segundos elementos de rotación 3
que realizan el ciclo de
compresión-combustión-expansión en
seis partes de trabajo de la cámara. Las fuerzas generadas durante
la combustión se equilibran situando los segundos elementos de
rotación 3 en lados opuestos del primer elemento de rotación 1.
Las Figuras 19 a 27 muestran secciones
transversales de un octavo motor rotatorio de acuerdo con la
invención. El octavo motor rotatorio comprende un gran número de
segundos elementos de rotación 3 distribuidos alrededor de la
carcasa 2. Cada uno de los segundos elementos de rotación 3 incluye
dos lóbulos de distinta longitud. Según giran los segundos
elementos de rotación 3, se proyectan hacia una cavidad definida
entre el primer elementos de rotación 1 y la carcasa 2. A
diferencia de los motores rotatorios primero a séptimo, el área de
la sección transversal de la cavidad varía gradualmente alrededor
del primer eje 6.
Las Figuras 20 a 27 muestran el octavo motor
rotatorio en diversas etapas del procedimiento de
compresión-combustión-expansión. En
la figura 20, el segundo elemento de rotación 3 ha girado a una
posición en la que no se proyecta hacia el primer elemento de
rotación 1. En esta posición, se forma un cierre hermético entre el
primer elemento de rotación 1 y la carcasa 2. Este cierre hermético
define los dos extremos de la cavidad que se extiende alrededor del
primer eje 6 y asegura que los gases recientes atraídos hacia la
cavidad no se mezclen con los gases agotados.
En la figura 21, el primer elemento de rotación
1 ha girado hacia la cavidad definida entre el primer elemento de
rotación 1 y la carcasa 2. Una parte de trabajo de la cavidad se
define ahora entre el cierre hermético formado por el primer
elemento de rotación 1 y la carcasa 2, y el segundo elemento de
rotación 3. Los gases se atraen hacia la parte de trabajo de la
cavidad según se expanden a través de un paso de entrada de fluido
4, como se indica mediante la flecha.
El motor continúa girando y los gases se atraen
hacia la cavidad hasta que el segundo elemento de rotación 3 ha
girado hacia la posición mostrada en la figura 22. En esta posición,
la parte de trabajo de la cavidad se define entre segundos
elementos de rotación 3 adyacentes. El paso de entrada de fluido 4
ha girado lejos de la parte de trabajo de la cavidad, que ahora
está totalmente cerrada.
La rotación adicional del motor hace que el
segundo elemento de rotación gire adicionalmente, como se muestra
en la figura 23. En esta posición, la parte de trabajo de la cavidad
se ha contraído, comprimiendo de esta manera los gases contenidos
en su interior.
La parte de trabajo de la cavidad continúa
contrayéndose hasta que el segundo elemento de rotación 3 alcanza
la posición mostrada en la figura 24. En esta posición, el volumen
de la parte de trabajo de la cavidad está al mínimo y los gases
contenidos en su interior se han comprimido. Después se induce la
combustión de los gases, provocando de esta manera un aumento
adicional en la presión de los gases.
La rotación continua del motor provoca que la
cavidad se expanda, como se muestra en la figura 25. Los gases
realizan trabajo según se expanden, y se extrae energía del motor
mediante un árbol de salida de energía (no mostrado) acoplado al
primer elemento de rotación.
Los gases en la parte de trabajo de la cavidad
continúan expandiéndose hasta que el segundo elemento de rotación 3
alcanza la posición mostrada en la figura 26. En esta posición, el
volumen de la parte de trabajo de la cavidad alcanza un máximo. El
área de la sección transversal de la cavidad mostrada en la figura
26 es mayor que la mostrada en la figura 22. La relación de
expansión del motor es, por lo tanto, mayor que su relación de
compresión. Son posibles relaciones de expansión y compresión
diferentes porque cada uno de los segundos elementos de rotación 3
incluye dos lóbulos de diferente forma. Uno de los lóbulos se usa
durante la compresión y el otro se usa durante la expansión.
Una vez que los gases se expandido
completamente, el motor continúa girando de manera que se expulsan
los gases agotados, como se muestra en la figura 27. En esta
posición, el segundo elemento de rotación 3 ha girado
adicionalmente de manera que la parte de trabajo de la cavidad se
está contrayendo. El primer elemento de rotación 1 ha girado
también de manera que un canal de salida de fluido se expone a la
parte de trabajo de la cavidad. Según se contrae la parte de
trabajo de la cavidad, los gases contenidos en su interior se
expulsan desde el motor a través del paso de salida de fluido 9,
completando de esta manera un ciclo del motor rotatorio.
Las Figuras 28 a 30 muestran un noveno motor
rotatorio de acuerdo con la invención. El noveno motor rotatorio
utiliza válvulas deslizantes 10 para controlar su relación de
compresión. Las válvulas deslizantes 10 se localizan en una región
de la superficie de la carcasa que define la parte de trabajo de la
cavidad durante la compresión de los gases, pero no durante la
expansión de los gases. Esto se consigue asegurando que el segmento
de cada uno de los segundos elementos de rotación que coopera con
el segmento de compresión del primer elemento de rotación 1 tiene
el mayor radio.
Para evitar que los gases agotados pasen a
través de las válvulas deslizantes 10, dentro del primer elemento
de rotación 1 se proporciona el paso de salida de fluido 9, como se
muestra en la figura 29. En este sentido, el noveno motor rotatorio
es diferente de los otros motores rotatorios de acuerdo con la
invención, por ejemplo el quinto motor mostrado en la figura 11. El
diseño del primer elemento de rotación 1, como se muestra en la
figura 29, permite fluir a los gases entre las partes de trabajo de
la cavidad definida en lados opuestos del segundo elemento de
rotación 3a durante la expulsión, proporcionando de esta manera una
ruta de salida para los gases según se contrae la parte de trabajo
de la cavidad.
La Figura 30 muestra la superficie del primer
elemento de rotación 1 del noveno motor rotatorio, junto con una
indicación de las posiciones relativas de los segundos elementos de
rotación 3a, 3b, 3c y las válvulas deslizantes 10. Cada una de las
válvulas 10 tiene una cubierta deslizante 11. La Figura 30 muestra
la posición de las cubiertas deslizantes cuando las válvulas
deslizantes 10 están completamente abiertas.
Las válvulas deslizantes 10 permiten modificar
el ciclo de
compresión-combustión-expansión del
motor. En particular, el ciclo puede modificarse de manera que
parte de los gases comprimidos se purgan de la parte de trabajo de
la cavidad antes de la combustión, reduciendo de esta manera la
relación de compresión del motor. Preferiblemente, los gases
purgados se reciclarán para reducir la ineficacia del combustible.
Alterando la extensión en la que se abren las válvulas deslizantes
10, puede controlarse la presión de los gases y, de esta manera, la
relación de compresión del motor. De esta manera, las válvulas
deslizantes 10 pueden usarse para controlar la salida de energía
del motor.
Las válvulas deslizantes 10 sólo se usan durante
la compresión de los gases. Por lo tanto, las válvulas deslizantes
10 pueden permanecer en la misma posición durante todo el ciclo de
compresión-combustión-expansión. Las
posiciones de las válvulas deslizantes 10 sólo se modifican si se
desea un cambio en la relación de compresión del motor. Este
principio operativo difiere de un motor de combustión convencional,
en el que las válvulas se abren y se cierran en cada ciclo de
compresión-combustión-expansión.
Son posibles otras configuraciones de válvula,
que serán conocidas por los especialistas en la técnica. Por
ejemplo, pueden proporcionarse válvulas laterales adicionales, las
cubiertas deslizantes de las válvulas laterales pueden deslizarse
en direcciones diferentes a las mostradas en las figuras, y pueden
proporcionarse válvulas laterales sin cubiertas deslizantes en
lugar de válvulas deslizantes. Las válvulas pueden formar la entrada
exclusiva de fluido para el motor rotatorio o, de otra manera,
pueden proporcionarse junto con uno o más pasos de entrada de
fluido en el primer elemento de rotación 1. Cuando las válvulas
forman una entrada de fluido al motor rotatorio, pueden usarse para
ajustar el ritmo al que los gases no se atraen más hacia el
motor.
Las Figuras 31 a 33 muestran un primer
compresor. El primer compresor funciona de una manera similar a los
motores rotatorios de acuerdo con la invención descrita
anteriormente. Sin embargo, la eliminación de las etapas de
combustión y expansión del ciclo operativo permite la
simplificación. El compresor comprende un único segundo elemento de
rotación 3 que gira a la mitad de la velocidad angular del primer
elemento de rotación 1. Los gases se atraen hacia el compresor, se
comprimen y después se liberan mediante una válvula deslizante 10.
La válvula deslizante 10 puede usarse para controlar la extensión en
la que los gases son comprimidos por el compresor. El primer
elemento de rotación 1 puede diseñarse de forma que, durante la
liberación de los gases comprimidos, los gases pueden fluir entre
las partes de trabajo de la cavidad definida en lados opuestos del
segundo elemento de rotación 3. Esto proporciona una ruta de salida
para los gases según se contrae la parte de trabajo de la
cavidad.
El compresor puede comprender dos segundos
elementos de rotación para equilibrar las fuerzas en el primer
elemento de rotación 1. Esto puede conseguirse usando las técnicas
descritas en las figuras 17 y 18 y las descripciones de las
mismas.
La Figura 34 muestra un segundo compresor. En
este compresor, el volumen de la parte de trabajo de la cavidad es
mayor que en el primer compresor.
Las Figuras 35 y 36 muestran un tercer
compresor. En este compresor, se usan válvulas deslizantes 10 para
controlar la admisión de gases en lugar de su expulsión.
El primer, segundo, y tercer compresores pueden
funcionar como expansores. En este caso, los gases comprimidos se
suministran a la salida de fluido y el primer y segundos elementos
de rotación se dirigen en las direcciones opuestas a las mostradas
en las figuras.
La Figura 37 muestra una sección transversal de
un décimo motor rotatorio de acuerdo con la invención. En el décimo
motor rotatorio, se han añadido numerosos dientes pequeños 12 a los
segundos elementos de rotación 3. De esta manera, el primer
elemento de rotación 1 puede accionar directamente los segundos
elementos de rotación 3 a la velocidad angular correcta.
Preferiblemente, los pequeños dientes 12 y las partes del primer
elemento de rotación 1 con las que se engranan tienen esquinas
redondeada.
Las Figuras 38 y 39 muestran secciones
transversales de los motores rotatorios undécimo y duodécimo de
acuerdo con la invención respectivamente. El undécimo motor
rotatorio comprende segundos elementos de rotación 3 cuyo centro de
gravedad está en su eje de rotación. Esto proporciona facilidad de
fabricación y se consigue proporcionando dos veces como tantos
segmentos se proporcionen en los segundos elementos de rotación de
las otras invenciones rotatorias descritas. Los segmentos de los
segundos elementos de rotación 3 giran ángulos menores que en los
otros motores rotatorios descritos, y de esta manera los volúmenes
de las cavidades de las partes de trabajo de la cavidad que definen
son más pequeños. Sin embargo, en alguna extensión esto se compensa
en el undécimo motor rotatorio porque tiene cavidades en cualquiera
de los lados del segundo elemento de rotación 3. De esta manera, el
undécimo motor rotatorio puede funcionar como un motor
compuesto.
En el duodécimo motor rotatorio, como se muestra
en la figura 39, las dos cavidades se sitúan desfasadas,
produciendo de esta manera una salida de energía más suave. El
exceso de material se ha retirado también del primer elemento de
rotación 1 del duodécimo motor rotatorio. Esto minimiza el peso del
motor, minimiza el área de contacto entre el primer elemento de
rotación 1 y la carcasa 2, y proporciona una ventilación potenciada
para el motor.
La forma de los segundos elementos de rotación
corresponde a la forma de la sección transversal de la cavidad.
Como la fuerza es proporcional a una diferencia de presión
multiplicada por el área, el diseño cuidadoso de la forma de los
segundos elementos de rotación puede proporcionar un motor que tiene
una salida de energía que es constante en toda la revolución. Para
un motor que tiene una única cavidad, el área del primer elemento
de rotación en la que se realiza trabajo es la diferencia entre el
área de los segundos elementos de rotación que definen cada extremo
de la cavidad. Puede calcularse el volumen y, de esta manera, la
presión de los gases dentro de una cavidad. Esta presión y volumen
permiten el cálculo de la energía disponible como una función de la
rotación del primer elemento de rotación, permitiendo de esta manera
el cálculo del par de torsión del motor.
Puede encontrarse el par de torsión de cada
cavidad. Después puede encontrarse la formar para los segundos
elementos de rotación que proporciona un motor que tiene una salida
suave del par de torsión.
La forma de los segundos elementos de rotación
puede especificarse mediante el radio como una función del ángulo.
Especificando un objetivo tal como "maximizar el par de torsión
mínimo" permite procedimientos computacionales conocidos por los
especialistas en la técnica que usarán para encontrar una forma del
segundo elemento de rotación que proporciona un motor que tiene una
salida de energía suave.
La Figura 40 muestra un ejemplo de una forma del
segundo elemento de rotación 3 que puede usarse proporcionando un
motor que tiene salida de energía suave. El diente afilado en la
parte superior izquierda del segundo elemento de rotación 3a reduce
el área que realiza la compresión de los gases cuando la presión es
alta. Análogamente, el diente afilado en la parte inferior derecha
del segundo elemento de rotación 3a permite una expansión gradual
de los gases cuando la presión es alta, y una expansión rápida de
los gases cuando la presión es menor, proporcionando de esta manera
un motor que tiene una salida de energía estacionaria.
La Figura 41 muestra una sección transversal de
un decimocuarto motor rotatorio de acuerdo con la invención. El
decimocuarto motor rotatorio tiene un primer elemento de rotación
anular 1 que se monta externo a la carcasa 2. Dos segundos
elementos de rotación 3a, 3b se montan dentro de la carcasa 2. En el
decimocuarto motor rotatorio, estos elementos se han montado de
manera que el plano de los segundos elementos de rotación no corta
el eje del primer elemento de rotación. Esto permite a los segundos
elementos de rotación tengan un radio máximo mayor que el radio
interno de la carcasa, permitiendo un volumen de trabajo mayor para
un radio de motor dado. También, este motor tiene un radio de
carcasa relativamente pequeño comparado con el radio externo del
primer elemento de rotación. Esto da un área relativamente pequeña
para la fricción entre el primer elemento de rotación y la carcasa,
y una longitud relativamente pequeña para fugas entre la carcasa y
el primer elemento de rotación. Esta configuración proporciona
también estos beneficios para compresores y expansores. Las Figuras
42 a 46 ilustran algunas de las características del dispositivo de
acuerdo con la invención que lo distinguen de los dispositivos
rotatorios conocidos. Se observa que las piezas mostradas en estas
figuras ya se han descrito con referencia a figuras anteriores, y
que las figuras 42 a 46 no añaden un conocimiento adicional
requerido para construir el motor o entender su funcionamiento.
Las Figuras 42 a 44 ilustran segundos elementos
de rotación 3 que, como puede observarse, tienen un gran diente. La
Figura 45 ilustra un segundo elemento de rotación que, como puede
observarse, tiene dos grandes dientes. Los dientes son las partes
del segundo elemento de rotación que sobresalen hacia la cavidad
definida por la carcasa y el primer elemento de rotación en algún
momento del ciclo. Los dientes definen un "ángulo de diente",
\varphi, medido alrededor del eje del elemento de rotación 3.
Típicamente, el segundo elemento de rotación está diseñado de
manera que el ángulo de diente es justo menor que 360º/t, donde t es
el número de dientes. En las Figuras 42 y 43, el ángulo de diente
\varphi está justo por debajo de 360º, y el diente único
comprende tres segmentos integrales, o partes que se proyectan. En
la Figura 45, el ángulo de diente está justo por debajo de 180º, y
cada diente comprende tres segmentos integrales, o partes que se
proyectan. La Figura 46 ilustra que la carcasa 2 puede observarse
como que tiene un ángulo de ranura, \psi, medido alrededor del
eje del primer elemento de rotación 3, y definido por la región en
la que el segundo elemento de rotación puede proyectarse hacia la
cavidad. En las realizaciones más naturales del dispositivo, el
ángulo de diente \varphi es mayor que el ángulo de ranura
\psi.
Las realizaciones anteriores de la invención
descritas con referencia a las figuras son puramente realizaciones
preferidas, y se describe únicamente a modo de ejemplo. Resultará
evidente para los especialistas en la técnica que hay otras muchas
realizaciones de la invención no descritas, y el alcance de la
invención se define mediante las reivindicaciones.
Claims (20)
1. Un motor rotatorio para usar con fluidos
compresibles, comprendiendo el motor:
un primer elemento de rotación (1) montado para
girar alrededor de un primer eje;
una carcasa (2) que tiene una superficie que
encierra al menos una parte del primer elemento de rotación, una
cavidad alargada con área de la sección transversal variable que
está definida entre una superficie del primer elemento de rotación
y la superficie de la carcasa y que varía alrededor del primer eje
dependiendo del radio del primer elemento de rotación; y
una pluralidad de segundos elementos de rotación
(3) montados para girar alrededor de segundos ejes respectivos
diferentes, estando montado cada segundo elemento de rotación para
proyectarse a través de una ranura en la superficie de la carcasa y
para cooperar con el primer elemento de rotación de la superficie
para dividir la cavidad en partes de trabajo adyacentes,
en el que cada segundo elemento de rotación
comprende una pluralidad de partes que se proyectan que tienen
radios respectivos diferentes alrededor del segundo eje, haciendo
los diferentes radios que las partes que se proyectan se proyecten
hacia la cavidad en diferentes cantidades respectivas, de manera que
los volúmenes de las partes de trabajo varían según giran el primer
y los segundos elementos de rotación,
en el que, durante el uso, los fluidos en una
parte de trabajo experimentan compresión, combustión y expansión
como un volumen cerrado, estando definido el volumen cerrado durante
la compresión, combustión y expansión por los dos mismos segundos
elementos de rotación adyacentes.
2. El motor de la reivindicación 1, en el que
cada parte que se proyecta de un segundo elemento de rotación
abarca un ángulo alrededor del segundo eje respectivo, variando el
radio de cada parte que se proyecta constantemente alrededor del
eje.
3. El motor de la reivindicación 1, en el que
cada parte que se proyecta de un segundo elemento de rotación
abarca un ángulo alrededor del segundo eje respectivo, girando los
radios de las partes que se proyectan alrededor del eje.
4. El motor de la reivindicación 3, en el que un
número de las partes que se proyectan de cada segundo elemento de
rotación sólo se proyecta parcialmente a través de una ranura
respectiva en cualquier momento durante la rotación del primer y
los segundos elementos de rotación.
5. El motor de la reivindicación 4, en el que el
ángulo máximo abarcado por una ranura alrededor de un segundo eje
respectivo es más pequeño que el ángulo abarcado por un número de
las partes que se proyectan de cada segundo elemento de
rotación.
6. El motor de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el primer elemento de
rotación de la superficie es una superficie cilíndrica.
7. El motor de la reivindicación 6, en el que el
primer elemento de rotación es interno a la superficie de la
carcasa y los segundos elementos de rotación son externos a la
superficie de la carcasa.
8. El motor de la reivindicación 6, en el que el
primer elemento de rotación es externo a la superficie de la
carcasa y la pluralidad de segundos elementos de rotación son
internos a la superficie de la carcasa.
9. El motor de una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que la primera superficie de rotación
es una superficie final.
10. El motor de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente un medio
de ignición para la ignición de un fluido comprimido antes de la
expansión.
11. El motor de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el primer elemento de
rotación comprende adicionalmente al menos un paso para la entrada
de fluido y/o salida de fluido.
12. El dispositivo de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la carcasa comprende
adicionalmente numerosas válvulas, funcionando cada válvula como
una entrada de fluido o salida de fluido únicamente cuando está
adyacente a una parte de trabajo de la cavidad, y en el que cada
válvula sólo está adyacente a una parte de trabajo de la cavidad
durante una fracción de un ciclo del motor.
13. El dispositivo de la reivindicación 12, en
el que, durante el uso, cada válvula nunca está adyacente a una
parte de trabajo de la cavidad de volumen mínimo durante un ciclo
del motor, evitando de esta manera el contacto entre las válvulas y
fluidos a mayor presión.
14. El motor de la reivindicación 12 o 13, en el
que cada una de la al menos una válvula funciona para variar el
caudal de un fluido en una parte de trabajo de la cavidad, para
variar la presión de fluido dentro de una parte de trabajo de la
cavidad, o para variar la relación de compresión y/o de expansión
del motor.
15. El motor de una cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 14, en el que se usa control por
retroalimentación de bucle cerrado para controlar el funcionamiento
de cada una de la al menos una válvula, estando basado el control
por retroalimentación de bucle cerrado en al menos un parámetro
operativo del motor.
16. El motor de la reivindicación 17, en el que
al menos un parámetro operativo del motor comprende al menos uno de
presión de entrada del fluido, presión de salida del fluido y
velocidad de giro.
17. El motor de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que los segundos elementos de
rotación están distribuidos alrededor del primer elemento de
rotación, estando montado cada segundo elemento de rotación para
girar alrededor de un segundo eje respectivo que es perpendicular al
primer eje.
18. El motor de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el primer elemento de
rotación de la superficie y la superficie de la carcasa definen
adicionalmente un cierre hermético entre partes de trabajo de la
cavidad.
19. El motor de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que, durante el uso, una cantidad
de proyección dentro de la cavidad de cada uno de los segundos
elementos de rotación aumenta hasta un primer máximo local, después
disminuye hasta un mínimo local mayor de cero, después aumenta hasta
un segundo máximo local, después disminuye a cero.
20. El motor de una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que, durante el uso, los fluidos
en una parte de trabajo experimentan la compresión, combustión y
expansión dentro de una rotación del primer elemento de
rotación.
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