PL240858B1 - Mechanizm z obrotowymi łopatkami - Google Patents

Description

PL 240 858 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest mechanizm z obrotowymi łopatkami mający zastosowanie szczególnie korzystnie przy budowie silników spalinowych, silników hydraulicznych, silników pneumatycznych, pomp, sprężarek.

W dziedzinie napędu urządzeń zwłaszcza pojazdów samochodowych, jednostek pływających oraz urządzeń przenośnych bez dostępu do sieci elektrycznej dominującym źródłem napędu są silniki wewnętrznego spalania. W praktycznym zastosowaniu dominującą rolę odgrywają silniki dwusuwowy i czterosuwowy. Silnik czterosuwowy dominuje w motoryzacji, jest jednak dość skomplikowany w budowie, ma dużo elementów ruchomych w tym takich, które ze względów konstrukcyjnych wymagają ciągłego smarowania. Drugim pod względem rozpowszechnienia jest silnik dwusuwowy. Jest on prostszy w budowie - nie ma zaworów, nie potrzebuje więc mechanizmu rozrządowego, nie potrzebuje także oddzielnego układu smarowania. Do zalet silnika dwusuwowego należy także uzyskiwanie większych mocy z takiej samej pojemności, co przekłada się na dużo mniejszy ciężar takich silników. Mniejsza ilość ruchomych części zmniejsza także ich awaryjność. Mimo tych zalet, jedna wada silników dwusuwowych powoduje odchodzenie od ich stosowania Wadą tą jest niespalanie całości mieszanki paliwowej oraz częściowe spalanie dodawanego do paliwa oleju używanego do smarowania - powoduje to duże zanieczyszczanie środowiska. Kolejnym stosowanym w praktyce rozwiązaniem jest silnik Wankla. Jego zaletami są małe rozmiary, mały ciężar oraz dzięki ruchowi obrotowemu tłoka brak wibracji. Główne wady ograniczające jego wykorzystanie to duże zużycie paliwa, mała trwałość oraz trudność uszczelnienia. W ostatnich latach zaczęto konstruować także silniki z tłokiem obrotowym tzw. silniki Atkinsona. Konstrukcja tego silnika nie sprzyja jednak uzyskiwaniu dużych mocy. Znalazł on dotychczas zastosowanie jedynie w niektórych modelach samochodów hybrydowych. Konstruktorzy od lat tworzą projekty silników rotacyjnych. Do dnia dzisiejszego zgłoszono i uzyskano dziesiątki patentów na silniki z wirującymi dokami. Wśród nich są między innymi, rozwiązanie Andrzeja Kuczyńskiego „Maszyny roboczej z dokami obrotowymi” - patent nr 149586. Innym rozwiązaniem jest patent nr 170127 Jerzego Woźniaka na „Silnik z wirującym tłokiem”. Podobnym rozwiązaniem jest patent nr 175572 na „Obrotowy silnik spalinowy wewnętrznego spalania”. Wśród patentów amerykańskich można wymienić chociażby patent US6739307 oraz wcześniejsze patenty US1482628, US1568951, US1579207, US1568052, US1821139, US1904892, US2182269, US2413589, US3396632, US3592571, US3645239,

US3909162, US3937187, US3990405, US4026249, US4035111, US4068985, US156S051,

US1568053, US4169697, US5433179, US6446595, jednakże żadne z dotychczas opatentowanych rozwiązań nie doczekało się powszechnego zastosowania. Nieznane są w obecnym stanie techniki mechanizmy, które znalazłyby zastosowanie przy konstrukcji jednocześnie silników spalinowych, silników hydraulicznych i pneumatycznych, pomp i sprężarek, czy układów hamulcowych. Najwięcej zastosowań ma mechanizm zastosowany przy konstrukcji silnika dwusuwowego. Ten sam mechanizm stosowany jest też przy budowie pomp tłokowych i sprężarek.

Istotą wynalazku jest stworzenie mechanizmu z dwoma współosiowymi wirnikami (1a, 1b), wraz z elementami je sprzęgającymi. Oba wirniki z jednej strony posiadają jednakowe równomiernie rozstawione minimum dwie łopatki (2). Łopatki obu wirników poruszają się w jednej przestrzeni będącej toroidą, której są wycinkami. Z drugiej strony wirników znajdują się połączone z wirnikami na stałe zębatki dwuprędkościowe (3), które wraz z zębatkami sterującymi (4) tworzą mechanizm przekładni koordynujący wzajemne położenie łopatek obu wirników. Zębatki sterujące usytuowane współosiowo ustawione są względem siebie z obrotem o 180°. Takie wzajemne ustawienie zębatek sterujących powoduje, że przy ich jednostajnym ruchu obrotowym wirniki obracają się z dwiema różnymi prędkościami, które naprzemiennie zmieniają się po każdym obrocie zębatek sterujących o kąt 180°. Ruch wirników z naprzemiennie zmieniającą się prędkością powoduje, że w przestrzeni, w której poruszają się łopatki powstają komory o zmieniającej się objętości. Ilość komór równa się ilości łopatek obu wirników.

Wirniki dwułopatkowe tworzą cztery komory, trzyłopatkowe sześć komór, czterołopatkowe osiem komór itd. Przy czym, podczas ruchu wirników połowa komór zwiększa swoją objętość a połowa zmniejsza.

Wirniki obracają się naprzemiennie z dwoma prędkościami, gdy pierwszy wirnik (1a) obraca się z prędkością Vi, w tym samym czasie drugi wirnik (1 b) obraca się z prędkością V2. Po wykonaniu obrotu o kąt (α) wirnik (1 a) zmienia prędkość i obraca się z prędkością V2, jednocześnie wirnik (1b) po wykonaniu obrotu o kąt (α + β) zmienia prędkość na V1 i obraca się z tą prędkością o kąt (α). Zależność

PL 240 858 B1 między prędkościami można określić wzorem V2 = k Vi, gdzie współczynnik k określony jest wzorem k = (α + β)/α, a współzależność pomiędzy kątami α i β określona jest wzorem γ = 2α + β = 360°/n, gdzie n - oznacza liczbę łopatek na jednym wirniku, γ - kątową odległość między łopatkami, α - kątową wielkość wycinka toroidy tworzącego łopatkę, β - kątową maksymalną wielkość zmiennej komory roboczej między łopatkami, k - oznacza zależność między prędkościami wirników.

Wszystkie łopatki na obu wirnikach są jednakowe, a każda łopatka jest wycinkiem (α) toroidy o wielkości zależnej od przyjętej ilości łopatek oraz projektowanej wzajemnej prędkości obu wirników (k). Dodatkowo dla prawidłowego działania mechanizmu niezbędne jest wykonanie w bryle łopatek wcięcia (2a) po obu stronach stycznych płaszczyzn (2b), dzięki któremu w momencie zetknięcia się łopatek (2) w podczas zmiany prędkości wirników powstaje wolna przestrzeń (14).

Zmianę prędkości obrotowej każdego z wirników z Vi na V2 i odwrotnie umożliwiają przekładnie złożone z połączonych na stałe z wirnikami (1a, 1b) zębatek dwuprędkościowych (3) przekazujących siły z i na zębatki sterujące (4), przy czym kształt zębatek dwuprędkościowych (3) składa się z zębatki o promieniu Ri powiększonym o kąt (α + β) do promienia R2 na wycinku kąta α. Daje to ilość wycinków o powiększonym promieniu równą ilości łopatek na wirniku. Z kolei zębatka sterująca (4) ma kształt połączonych połówek dwóch zębatek o promieniach odpowiednio - mniejsza R3 i większa R4, w miejscach zmiany promienia zębatki uzębienie ukształtowane jest w sposób pasujący do uzębienia zębatki dwuprędkościowej (3) przy czym zachowana jest zależność R1 + R4 = R2 + R3. Dzięki takiemu rozwiązaniu przy stałej prędkości zębatki sterującej (4) po jej obrocie o każde 180° zmienia się prędkość kątowa zębatki dwuprędkościowej (3).

Dla prawidłowego działania całego mechanizmu konieczna jest jednoczesna zamiana prędkości obrotowej wirników. Zapewnia to sprzęgnięcie zębatki sterującej (4) przenoszącej siły z i na zębatkę dwuprędkościową (3) wirnika (1a) z położoną współosiowo zębatką sterującą (4) przenoszącą siły z wirnika (1 b), przy czym sprzęgnięte zębatki sterujące są wzajemnie ustawione z obróceniem o kąt 180°. Sprzęgnięcie może być wykonane za pomocą wału napędowego (7), połączonego ze znajdującymi się na nim współosiowo zębatkami r-6 (6) o promieniu R6, które z kolei odbierają i przekazują siły na zębatki r-5 (5) o promieniu R5, które są na stałe połączone z zębatkami sterującymi (4) (fig. 6). Możliwe jest także połączenie zębatek sterujących (5) za pośrednictwem wałka sterującego (9) co pokazano na rysunku (fig. 7), lub połączenie w jedną grupę dwóch zębatek sterujących (4) z jedną (5) w przypadku gdy wał (8a) wirnika (1 a) znajduje się wewnątrz wału (8b) wirnika (1 b) wówczas cały układ sterujący ruchem wirników znajduje się po jednej stronie (fig. 8).

W zależności od tego jakie chcemy skonstruować urządzenie używamy dobieramy odpowiednią obudowę, sam mechanizm konstrukcyjnie jest identyczny. W obudowie (10) konstrukcji silników hydraulicznych i pomp, a także sprężarek znajdują się otwory wlotowe (12) i wylotowe (13) usytuowane nad każdą łopatką (2) obu wirników w miejscu obudowy, w którym łopatki (2) stykają się podczas zmiany prędkości, o takiej wielkości, że znajdujące się przy nich łopatki zakrywają te otwory całkowicie, przy tym otwory wlotowe stają się wylotowymi a wylotowe wlotowymi przy zmianie kierunku przepływu cieczy w przypadku silników hydraulicznych lub zmianą kierunku obrotów wału napędowego (7) w przypadku pomp i sprężarek (fig. 4).

W przypadku silnika spalinowego (fig. 5) by był możliwy „suw sprężania” i „suw pracy” w obudowie (11) konstrukcji silników spalinowych znajdują się na dole obudowy otwory wlotowe (12) i wylotowe (13) usytuowane nad łopatkami (2) obu wirników w miejscu obudowy, w którym łopatki (2) stykają się podczas zmiany prędkości, o takiej wielkości, że znajdujące się przy nich łopatki zakrywają te otwory całkowicie. Różnica w konstrukcji pomp i silników spalinowych polega na tym, że w przypadku minimum jednej pary łopatek w obudowie silnika spalinowego występują, tylko dwa otwory. Dodatkowo w obudowie silnika spalinowego jest wgłębienie (15) nad wolną przestrzenią (14) przy styku łopatek, w którym mieści się świeca zapłonowa w przypadku silników z zapłonem iskrowym, lub wtryskiwacz paliwa w przypadku silników z samozapłonem.

Możliwe do osiągnięcia korzyści wynikające z zastosowania wynalazku to ze względu na brak części trących poprawa sprawności i trwałości urządzeń. Ruch obrotowy wirników z łopatkami i przekazywanie momentu pędu między wirnikami powoduje brak drgań i umożliwia pracę na bardzo wysokich obrotach. Duże ramię działającej siły w przypadku silników pozwala na uzyskiwanie bardzo dużych mocy z jednostki masy. Mała ilość, prostych w wykonaniu części powoduje znaczne obniżenie ciężaru

PL 240 858 B1 urządzeń oraz zmniejsza koszty produkcji. Wynalazek umożliwia także konstruowanie urządzeń o cechach niemożliwych do uzyskania przy obecnie znanym stanie techniki. W przypadku konstrukcji pompy może ona zmieniać kierunek pompowania zmieniając kierunek obrotu wału napędowego. Jednocześnie jeśli podłączymy do pompy przewód pod ciśnieniem urządzenie zmieni się w silnik hydrauliczny.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania pokazano na figurach rysunku przy założeniu, że prędkości wirników wynoszące Vi, V2 charakteryzują się zależnością V2= 2Vi, co dla wirników dwułopatkowych daje wielkość kątową łopatki α = 60° (fig. 11), dla wirników trzyłopatkowych α = 40° (fig. 12), zaś dla wirników czterołopatkowych α = 30° (fig. 13), przyjęto także, że promienie Rs = Ri i R5 = R4.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania pokazano na rysunku fig. 1 mechanizm z wirnikami dwułopatkowymi - aksonometria, fig. 2 mechanizm z wirnikiem trzyłopatkowym - aksonometria (połowa mechanizmu), fig. 3 mechanizm z wirnikiem czterołopatkowym - aksonometria (połowa mechanizmu), fig. 4 przekrój poprzeczny - pompy z mechanizmem z wirnikami dwułopatkowymi, fig. 5 przekrój poprzeczny - silnika spalinowego z mechanizmem z wirnikami dwułopatkowymi, fig. 6 przekrój podłużny mechanizmu uwidocznionego na rysunku fig. 1, fig. 7 przekrój podłużny mechanizmu z wałkiem sterującym, fig. 8 przekrój podłużny mechanizmu z przekładniami po jednej stronie, fig. 9 przekładnia sterująca mechanizmu z wirnikami dwułopatkowymi, fig. 10 przekładnia odbierająca mechanizmu z wirnikami dwułopatkowymi, fig. 11 wielkości i odstęp łopatek dla V2 = 2Vi - mechanizm z wirnikami dwułopatkowymi, fig. 12 wielkości i odstęp łopatek dla V2 = 2Vi - mechanizm z wirnikami trzyłopatkowymi, fig. I3 wielkości i odstęp łopatek dla V2 = 2Vi - mechanizm z wirnikami czterołopatkowymi.

Na fig. rysunku elementy mechanizmu oznaczono następującymi oznaczeniami odsyłającymi:

- pierwszy wirnik (1a), - drugi wirnik (1b);

- łopatka wirnika (2), - wcięcia w łopatkach (2a), - płaszczyzna styczna łopatki (2b),

- zębatka dwuprędkościowa wirnika dwułopatkowego (3), - zębatka dwuprędkościowa wirnika trzyłopatkowego (3a), - zębatka dwuprędkościowa wirnika czterołopatkowego (3b), - zębatka sterująca (4), - zębatka - r-5 (5), - zębatka - r-6 (6),

- wał napędowy (7), - wał (8a) wirnika (1a), - wał (8b) wirnika (1b),

- wałek sterujący (9), - obudowa konstrukcji silników hydraulicznych i pomp (10) - obudowa konstrukcji silników spalinowych (11) - otwory wlotowe (12) - otwory wylotowe (13)

- wolne przestrzenie między zetkniętymi łopatkami (14)

- wgłębienie na świecę zapłonową w obudowie silnika spalinowego (15).

Mechanizm wykazuje się dużą elastycznością konstrukcji - dowolnie można określić średnicę wału, co wpływa na ramię działających sił, dowolnie można dobierać kształt i wielkość toroidy stanowiącej komorę roboczą, dowolnie można przyjmować ilość łopatek. Ilość łopatek wpływa na ilość cykli pracy na jeden obrót wału. Dość cykli na jeden obrót wału można także dodatkowo regulować zmieniając średnice zębatek (5 i 6). Dodatkową zaletą jest możliwość umieszczenia na jednym wale kilku urządzeń. Urządzenia oparte na mechanizmie podczas obrotu wykonują jednocześnie wszystkie fazy pracy. Pompy i sprężarki zasysając medium do komór zwiększających swoją objętość jednocześnie wypychają to medium z komór, które w tym samym czasie zmniejszają swoją objętość. W przypadku silników spalinowych jednocześnie odbywają się cztery „suwy”. „Suw ssania” w komorze roboczej zwiększającej swoją objętość z otworem wlotowym, „suw sprężania” w komorze bez otworów zmniejszającej swoją objętość, „suw pracy” w komorze bez otworów zwiększającej swoją objętość oraz „suw wydechu” w komorze z otworem wylotowym zmniejszającej swoją objętość. Taki układ pracy silnika opartego na jednym mechanizmie dwułopatkowym odpowiada pracy typowego silnika 4-ro cylindrowego. Tak duża elastyczność w kształtowaniu parametrów urządzeń daje możliwość doboru właściwego modelu do napędu praktycznie wszystkich urządzeń - od ręcznych pił spalinowych, poprzez kosiarki, motocykle, wszelkie pojazdy mechaniczne aż do statków pełnomorskich.

Claims (6)

1. PL 240 858 B1

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Mechanizm z wirującymi wirnikami (1a, 1b), oraz elementami je sprzęgającymi, znamienny tym, że oba wirniki z jednej strony posiadają jednakowe równomiernie rozstawione minimum dwie łopatki (2), z drugiej strony wirników znajdują się połączone z wirnikami na stałe zębatki dwuprędkościowe (3), które wraz z zębatkami sterującymi (4) tworzą mechanizm przekładni koordynujący ruch wirników.
2. 2. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że wirniki posiadają minimum dwie łopatki (2) rozmieszczone równomiernie w odstępach kątowych określonych wzorem γ = 360°/n, w którym n - oznacza liczbę łopatek na jednym wirniku, same łopatki (2) wirnika będące wycinkiem toroida o kącie (α) mają dodatkowo wcięcie (2a) po obu stronach stycznych płaszczyzn (2b), przy czym ustawienie wirników w mechanizmie jest takie, że łopatki obu wirników usytuowane są wewnątrz jednej toroidy, której są wycinkiem.
3. 3. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że mechanizm przekładni składa się z połączonych na stałe z wałami wirników (1a, 1b) zębatek dwuprędkościowych (3) przekazujących siły z i na zębatki sterujące (4), przy czym kształt zębatek dwuprędkościowych (3) składa się z zębatki o promieniu Ri powiększonym co kąt (α + β) do promienia R2 na wycinku kąta α, daje to ilość wycinków o powiększonym promieniu równą ilości łopatek na wirniku, natomiast zębatka sterująca (4) ma kształt połączonych połówek dwóch zębatek o promieniach odpowiednio - mniejsza R3 i większa R4, przy czym zachowana jest zależność Ri + R4 = R2 + R3 oraz ilość zębów na zębatce dwuprędkościowej (3) na wycinku o średnicy Ri odpowiada ilości zębów na zębatce sterującej (4) na wycinku o średnicy R4, analogicznie ilość zębów na zębatce dwuprędkościowej (3) na wycinku o średnicy R2 odpowiada ilości zębów na zębatce sterującej (4) na wycinku o średnicy R3.
4. 4. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że zębatki sterujące (4) przenoszące siły z i na zębatkę dwuprędkościową (3) wirnika (1a) współpracują z położoną współosiowo zębatką sterującą (4) przenoszącą siły z wirnika (1b), ustawione są one wzajemnie z obróceniem o kąt 180°, a ich sprzęgnięcie może być wykonane za pomocą wału napędowego (7), który połączony jest ze znajdującymi się na nim współosiowo zębatkami r-6 (6) o promieniu R6, które z kolei odbierają i przekazują siły na zębatki r-5 (5) o promieniu R5, które są na stałe połączone z zębatkami sterującymi (4), możliwe jest także połączenie zębatek r-5 (5) obu wirników (1a, 1b) za pośrednictwem wałka sterującego (9), lub połączenie w jedną grupę dwóch zębatek sterujących (4) z jedna (5) w przypadku gdy wał (8a) wirnika (1a) znajduje się wewnątrz wału (8b)wirnika (1b) wówczas cały mechanizm przekładni znajduje się po jednej stronie wirników.
5. 5. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że w obudowie (10) konstrukcji silników hydraulicznych i pomp znajdują się otwory wlotowe (12) i wylotowe (13) usytuowane nad każdą łopatką (2) obu wirników w miejscu obudowy, w którym łopatki (2) znajdują się podczas zmiany prędkości, o takiej wielkości, że znajdujące się przy nich łopatki zakrywają te otwory całkowicie.
6. 6. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że w jego obudowie (11) konstrukcji silników spalinowych znajduje się dla każdej pary łopatek otwór wlotowy (12) i wylotowy (13) usytuowane nad łopatkami (2) obu wirników w miejscu obudowy, w którym łopatki (2) stykają się podczas zmiany prędkości, o takiej wielkości otworów że znajdujące się przy nich łopatki zakrywają te otwory całkowicie, oraz w obudowie dla każdej pary łopatek jest zagłębienie (15), w którym umieszczona jest świeca zapłonowa lub wtrysk paliwa.