CS205122B2 - Generátor energie - Google Patents

Description

Vynález se týká generátoru energie, který má vysoký výkon a velice příznivý poměr mezi hmotností a výkonem. Tento generátor může tvořit základní článek motorů různých typů, které s výhodou nahrazují klasické tepelné motory.

Aby vyplynuly nevýhody klasických tepelných motorů, stačí uvažovat zejména jejich použití pro vyvozování krouticího momentu při různých otáčkách. V této aplikaci se jak známo vratný přímkový pohyb pístů převádí na rotační pohyb pomocí klikového hřídele spojeného s ojnicemi pístů. V pístových motorech se změna kroutícího momentu provádí ovlivňováním podmínek spalování a pomocí různých mechanismů, zejména ozubených soukolí.

Spojení pomocí klikového hřídele má za následek značné mechanické ztráty, poněvadž při rotaci prochází klikový hřídel mrtvým úhlem, který může být v určitých případech až 45° a má velice nepříznivý vliv na využití energie uvolněné spalováním. Mechanický převod za klikovým hřídelem má rovněž mechanické ztráty, které mohou být značně velké.

Další nevýhoda spojení pomocí klikového hřídele spočívá v tom, že jeho otáčení vyvolává v pístech mechanická namáhání, jež způsobují, že válce dostávají oválný průřez a písty pří vysokém kompresním poměru silně klepají. Mimoto změna otáček při řazení rychlostí a obracení chodu vyžaduje složité, drahé a prostorově náročné mechanismy s ozubenými převody, které mohou mít větší rozměry a váhu než samotný motor.

Vynález odstraňuje tyto nevýhody a umožňuje realizovat a vytvořit kompaktní nebo vhodně rozložené motory, bez tradičních mechanických spojovacích zařízení, jež jsou rozměrná a jsou zdrojem velkých mechanických ztrát.

Předmětem vynálezu je generátor energie, sestávající z tělesa opatřeného středovým vrtáním, kterým prochází hřídel, alespoň dvěma hnacími válci se dvěma protiběžnými písty a dvěma řídicími deskami, z nichž každá spojuje vzájemně si odpovídající písty jednotlivých válců. Podstata vynálezu spočívá v tom, že těleso sestává ze tří oddílů oddělených od sebe pevnými nepropustnými přepážkami, z nichž střední oddíl obsahuje hnací válce a každý postranní oddíl jednu řídicí desku, přičemž písty jsou umístěny na protilehlých koncích hnacích válců a jejich pistnice procházejí v přepážkách nehybnými těsnými spoji translačním pohybem.

Rovněž je výhodné, aby každý těsný spoj sestával z tělesa se střední kulovou částí opatřenou průchozím vrtáním pro pístnici a z objímky, v níž je těleso pohyblivě uloženo, a opatřené dvěma dvojicemi vzájemně rovnoběžných ramen, která jsou kolmá k podélné ose tělesa a svírají s radiální vůlí přepážku.

Každý těsný spoj může rovněž sestávat z poddajného tělesa opatřeného nejméně jedním průchozím otvorem s povlakem z materiálu odolného proti tření, a rameny svírajícími s radiální vůlí přepážku.

Pístnice hnacích válců jsou připojeny k řídicím deskám kulovými klouby, které mají dvě dotekové a tlačné plochy se vzájemně odlišným poloměrem křivosti. Další výhodné provedení spočívá v tom, že alespoň jedna řídicí deska je spojena s pístnicí nejméně jednoho válce vysokotlakého čerpadla.

Generátor podle vynálezu, který má vysokou účinnost a přitom malé rozměry může pohánět dopravní nebo pracovní stroj za velice výhodných podmínek jak co do rozměrů, tak co do umístění, přičemž poměr hmotnosti ,a výkonu je tak výhodný, že i v dieselovém provedení může s úspěchem konkurovat klasickému benzinovému motoru.

Mezi hlavní výhody, které přináší generátor podle vynálezu, patří velice nízký hluk, nepatrné vibrace a skutečnost, že nedochází k deformaci průměru válců do oválného tvaru, poněvadž pístnice se pohybují čistě translačním pohybem a na písty tedy nepůsobí radiální síly. Další výhoda generátoru spočívá v tom, že má samostatné oddíly, oddělené těsnými přepážkami, jednak pro hnací válce tvořící tepelné součásti a jednak pro řídicí desky, které tvoří spojovací mechanismus. Tato konstrukce umožňuje použití kluzných ložisek, poněvadž ve skříni může být olej.

V důsledku minimálních mechanických ztrát má generátor podle vynálezu velmi úspornou spotřebu paliva,'a následkem oddělení mechanických a tepelných součástí může pracovat při vysokých teplotách a tím zajišťovat dokonalejší spalování, přičemž znečištění vzduchu je menší než u tradičních motorů.

Vynález bude popsán v souvislosti s příklady provedení znázorněnými na výkrese, kde značí obr. 1 schéma hydraulické soustavy s generátorem a vysokotlakým čerpadlem, obr. 2 řez vedený pístem vysokotlakého čerpadla z obr. 1, obr. 3 schéma soustavy podle obr. 1 s hydraulickým okruhem automatické regulace, obr. 4 první provedení generátoru podle vynálezu a obr. 5 druhé provedení generátoru, obr. 6 a 7 dvě výhodná provedení těsných spojů z obr. 5, obr. 8 třetí příklad provedení generátoru, obr. 9 obměnu konstrukce z obr. 8 a obr. 10 řez vedený rovinou X—X z obr. 9.

Obr. 1 ukazuje schematicky hydraulickou soustavu sestávající z generátoru energie, znázorněného jako· hnací motor 10, a z vysokotlakého čerpadla 20, které jsou přímo kinematicky spojeny. Hnací motor 10 je tvořen pístovým motorem, který je schematicky znázorněn válcem 1 v němž se translačním vratným pohybem pohybuje píst 2. Neznázorněné pomocné ústrojí zajišťuje vratný pohyb pístu 2. Píst 2 pohání vysokotlaké čerpadlo 20, které je jako příklad zobrazeno jediným válcem, v němž je uložen čerpací píst 24 vázaný přímou vazbou s hnacím pístem 2 hnacího motoru 10. Válec vysokotlakého čerpadla 20 má přívodní otvor 21 a vypouštěcí otvor 22 pro cirkulující tekutinu. Přívodní otvor 21 je připojen přes regulační ventil 5 ke zdroji tekutiny, například oleje, znázorněnému jako nádrž 4. Vypouštěcí otvor 22 je opatřen vypouštěcím ventilem 23. Vypouštěcí potrubí 6 napájí tlakovou tekutinou pracovní součást 7, například rotační člen, jak je znázorněno jako příklad provedení; tato pracovní součást 7 převádí energii nashromážděnou v tlakové tekutině v rotační energii. Pracovní součástí 7 může být samozřejmě i jiný člen, například válec ovládající pracovní nástroj, to znamená pohybující se translačním lineárním pohybem.

Regulační ventil 5 je vytvořen tak, že zůstává neustále jistý zbytkový průtok, symbolizovaný obtokovým potrubím na obr. 1. Účelem tohoto zbytkového průtoku je zajistit neustále dostatečné mazání. Poněvadž regulační ventil 5 nechává protékat zbytkové průtočné množství, elektrický ventil 9 zajišťuje návrat této protékající tekutiny do nádržky 4. Napájecí čerpadlo· 13 zajišťuje pravidelnou funkci motoru při volnoběhu a dobré plnění při vysokých otáčkách.

Obracení smyslu otáčení pracovní součásti 7 v tomto případě rotačního členu, je řízeno reverzačním ventilem 8. Odpojení pracovní součásti 7 se řídí elektrickým ventilem 9, který zkratuje proudění tekutiny a vede ji přímo do nádrže 4 trubkou 12.

Obr. 2 znázorňuje v podélném řezu provedení čerpacího pístu 24. Tento čerpací píst 24 sestává z prstence opatřeného nosy 28, 27, mezi nimiž je uložena s vůlí hlava 28 upevněná na konci tyče 29, takže tato hlava 28 může působit jako ventil při střídavém pohybu tyče 29, jak bude ještě vysvětleno.

K vysvětlení funkce popsaného zařízení v souvislosti s obr. 1 bude předpokládáno, že regulační ventil 5 je otevřen, a že čerpací píst 24, unášený tyčí 29 působením hnacího pístu 2, se přemísťuje ve směru šipky A z obr. 2. Vypouštěcí ventil 23 je tedy uzavřen. Tekutina naplňuje válec vysokotlakého čerpadla 20 přes otvor 30 čerpacího pístu 24, takže tekutina obtéká hlavu 28. Tekutina proudí pod poměrně slabým tlakem působením napájecího čerpadla 13.

Během výbuchu nebo spalování a dekomprese ve válci 1 unáší píst 2 tyč 29 ve směru šipky B. Hlava 28 uzavře tedy otvor 30 čerpacího pístu 24 a unáší jej ve smyslu šipky B. Čerpací píst 24 stlačuje tekutinu, která zaujímá prostor ve válci před vypouštěcím ventilem 23, a stlačená tekutina je vytlačována vypouštěcím ventilem 23 k pracovní součásti 7. Když je vytlačena veškerá tekutina, čerpací píst 24 se znovu pohybuje ve směru šipky A takže napájecí tekutina může naplnit celý volný prostor válce. Cyklus se potom opakuje v závislosti na střídavém pohybu hnacího pístu 2. Na výstupu vysokotlakého čerpadla 20 je umístěn hydraulický akumulátor 11, který slouží ke tlumení rázů.

K regulaci rychlosti otáčení rotující pracovní součásti 7 stačí řídit množství přiváděné tekutiny pomocí regulačního ventilu 5. Když je tento regulační ventil 5 úplně otevřený, je průtok maximální právě tak jako rychlost otáčení rotující pracovní součásti 7, zatímco tlak tekutiny a kroutící moment je minimální. Když je regulační ventil 5 částečně uzavřen, snižuje se množství tekutiny přiváděné do válce vysokotlakého- čerpadla 20 úměrně k otevření regulačního ventilu 5. Tato tekutina zaujme pak ve válci prostor, který je menší úměrně se snížením přiváděného množství tekutiny, a v důsledku omezeného objemu, který zaujímá tekutina, vzniká ve válci vysokotlakého čerpadla 20 podtlak. Když se čerpací píst 24 pohybuje ve směru šipky B při jinak stejných napájecích podmínkách, je uváděn do pohybu se stejnou energií, a v první fázi jeho pohybu se energie akumuluje v setrvačné formě v pohybujících se dílech, dokud čerpací píst 24 nezačne vytlačovat tekutinu. Jakmile čerpací píst 24 začne působit na tekutinu, vytlačuje ji s energií, která se skládá z energie naakumulované během první fáze jeho pohybu a ze zbytkové energie z dekomprese plynu v hnacím válci 1. Tlak tekutiny ve vypouštěcím otvoru 22 válce vysokotlakého čerpadla 20 se tedy tímto setrvačným účinkem zvětší a tím umožňuje zvýšit hnací moment pracovní součásti 7. Rychlost otáčení se přitom sníží úměrně ke zvýšení tlaku. Při konstrukci podle vynálezu vznikne tedy jemná a přesná regulace rychlosti a kroutícího momentu pouhou regulací přiváděného množství, bez jakýchkoliv převodových mechanismů a tedy bez mechanických ztrát.

Změny kroutícího momentu a rychlosti rotující pracovní součásti 7 lze rovněž a s výhodou provádět podle vynálezu automaticky velice jednoduchým způsobem. Hydraulický okruh sloužící tomuto účelu je principiálně znázorněn na obr. 3. K vypouštěcímu potrubí 6 vysokotlakého čerpadla 20 je připojeno ústrojí 31, které lze přirovnat k hydraulickému akumulátoru, jehož horní tlak je předem nastavitelný. Toto ústrojí 31 obsahuje membránu 32, která se prohýbá v závislosti na rozdílech tlaku po obou stranách. Ve znázorněném provedení je protitlak předběžně nastavován pomocí šroubu 31 A, který napíná druhou membránu 32 A. V přívodním potrubí je zapojen servoventil 33, jehož poloha závisí na otáčkách motoru, a který umožňuje rozběh generátoru. Servoventil 33 je předem nastaven do částečně uzavřené polohy, jakmile generátor dosáhne normálního- pracovního režimu, který stačí k -pohonu pracovní součásti 7, umožňuje otevření servo-ventllu 33, aby ústroji 31 -pracovalo jako variátor. Když je servoventil 33 otevřen, je válec vysokotlakého čerpadla 20 úplně naplněn tekutinou, proudění tekutiny je maximální a její tlak je minimální. Membrána 32 ústrojí 31 se tedy prohýbá do polohy a (obr. 3). Rychlost rotující pracovní součásti 7 je maximální a její kroutící moment minimální. Když rotující pracovní součást 7 působí silou na poháněný člen, snižuje se její rychlost, .kroutící moment se zvětšuje a tlak tekutiny vzrůstá. Membrána 32 se tedy pr-o-hýbá d-o polohy b. Prostor uvnitř ústrojí 31 se tím zvětší, takže uzavřený -okruh, který tvoří hydraulický systém, neobsahuje dostatečné množství tekutiny k naplnění válcového prostoru vysokotlakéhočerpadla 20, takže válec vysokotlakého čerpadla 20 je naplněn tekutinou jen částečně. Poněvadž na čerpací píst 24 vysokotlakého čerpadla 20 působí neustále stejně velká energle, -akumuluje se setrvačná energie v pohybujících se součástech, a tlak stlačené tekutiny ve vypouštěcím otvoru 22 válce vysokotlakého čerpadla 20 se zvyšuje. Změny tlaku sledují tedy spojitě a jemně změny rychlosti rotující pracovní součásti 7. Předem nastavené ústrojí 31 pracuje v hydraulické soustavě jako automatický měnič kroutícího momentu a otáček v závislosti na změnách tlaku při zachování stejného výk-pnu. Před servoventilem 33 je zapojen, membránový akumulátor 34, který má za úkol vyrovnávat tlakové rázy při volnoběhu nebo při přetížení.

V případě zablokování pokračuje hydraulický okruh ve své funkci přes derivační potrubí 81 opatřené kalibrovaným ventilem 82.

Je třeba zejména zdůraznit, že v důsledku použití fluidiky jsou změny pracovního režimu velice jemné, bez rázů a nehlučné.

Obr. 4 znázorňuje první příklad provedení generátoru podle vynálezu, který je vhodný jako mot-or s vnitřním spalováním pr-o pohon vysokotlakého čerpadla, zapojeného např. v hydraulické soustavě podle obr. 1 a 3, Generátor má čtyři dv-oudobé hnací válce 1 a každý z nich obsahuje dva písty 2, pracující proti -sobě. Válce 1 jsou uloženy paralelně. Válec znázorněný v řezu obsahuje dva písty 2A, 2B, z nichž jeden píst 2A je rovněž znázorněn v řezu. Písty ovládají řídicí desky 35 36. Pístu 2A a jemu odpovídajícím pístům dalších hnacích válců je přiřazena řídicí deska 35 a pístu 2B a jemu odpovídajícím pístům ve druhých hnacích válcích je přiřazena řídicí deska 36. Výhoda pohonu řídicími deskami spočívá v tom, že změna rychlosti pístů v blízkosti úvr-atí je velice výhodná jak pr-o spalování, -tak pro vyplachování válců. Jak pro spalování, tak pro vyplachování je totiž k dispozici delší doba; v důsledku toho je zajištěno dokonalejší spalování a tím snížená spotřeba paliva.

Ke každému pístu 2 je připojeno kinema205122 ticky tuhou vazbou vysokotlaké čerpadlo 20. V provedení podle obr. 4 je každé vysokotlaké čerpadlo 20 tvořeno klasickým sacím a výtlačným čerpadlem. Napájecí tekutina se přivádí přes regulační ventil 5. Na obr. 4 je rovněž schematicky znázorněno připojení napájecího čerpadla 13. Obzvláštní výhoda této konstrukce spočívá v tom, že realizuje tuhý kinematický řetězec, který zajišťuje minimální hluk a vibrace a je přitom konstrukčně velice jednoduchý.

V provedení podle obr. 4 je každý hnací válec 1 uzavřen na obou stranách přepážkami 41, 42. Po každé straně bloku válců je oddělená skříň. Na obr. 4 je patrno, že hnací válce 1 jsou uzavřeny napravo přepážkou 42 a nalevo přepážkou 41. Skříň 43, která obsahuje řídicí desku 35 a skříň 44, v níž je uložena řídicí deska 36, je tedy úplně oddělená od hnacích válců 1.

Oddělené umístění skříní 43, 44 od válců 1 má značnou přednost v tom, že umožňuje vytvořit nezávislý a účinný mazací systém pro součásti uložené ve skříních 43, 44. To má tu velkou výhodu, že je možno mazat součásti, které jsou tepelně namáhané, odděleně od součástí s nízkou teplotou.

Poněvadž každý hnací válec 1 je na koncích uzavřen, má každý z nich vně pláště kanál, který umožňuje převádět vzduch z jedné podtlakové komory do druhé a do spalovacího prostoru hnacího válce 1. Na obr. 4 jsou znázorněny spojovací otvory 39, do kterých ústí kanál dolního hnacího válce 1.

Kulové klouby 75 spojují pístnice 52 s řídicími deskami 35, 36 a jsou vedeny ve vedení 38.

Na obr. 5, který ukazuje ‘druhé provedení vynálezu, je použito stejných vztahových značek pro* podobné nebo ekvivalentní součásti jako· na obr. 4. V tomto provedení však je generátor spojen s jediným vysokotlakým čerpadlem poháněným řídicí deskou 36. Řídicí deska 36 je spojena s řídicí deskou 35 hřídelem, 37, takže v řídicí desce 36 je nashromážděna veškerá energie hnacích válců 1 pro pohon vysokotlakého čerpadla 29.

Podle obr. 5 má vysokotlaké čerpadlo 20 několik paralelních válců napájených napájecím čerpadlem 13. Tím se zlepší účinnost hydrostatické soustavy a umožní se zvýšení otáček motoru při sníženém objemu všech válců vysokotlakého čerpadla 20, přičemž se současně zmenší namáhání pohybujících se součástí.

Napájecí tekutina proudí z nádržky 4 (obr.

1) přes regulační ventil 5 přívodním otvorem 21. Vypouštěcí otvor 22 vysokotlakého čerpadla 20 je spojen s hydraulickým okruhem, který napájí pracovní součást 7.

Skříně 43, 44 mají drážky 45, 46, v nichž jsou kluzně uloženy vačkové kladky 47, 43 řídicích desek 35, 36, což udržuje jednak polohu řídicích desek 35, 36 a jednak umožňuje vratný pohyb pístnic 52 pístů 2A, 2B a rotaci hřídele 37. Aby byla zajištěna těsnost v místě průchodu přepážkami 41, 42 a přitom umožněn průchod a pohyb pístnic 52 pohánějících řídicí desky 35, 36, procházející pístnice 52 v přepážkách 41, 42 pružnými těsnými spoji. Příklad provedení těchto spojů je znázorněn v řezu na obr. 6. Podle obr. 6 sestává spoj z tělesa 51, jehož střední část je kulová a má vrtání pro pístnici 52 a z objímky 53, která leží kolem, kulového- tělesa 51 a umožňuje pohyb jeho kulové části uvnitř objímky 53. Objímka 53 má dvě dvojice rovnoběžných ramen 54, 55, která jsou v podstatě kolmá k podélné ose tělesa 51 a slouží k sevření části přepážky 56 s přiměřenou radiální vůlí. Obr. 7 znázorňuje další příklad provedení spoje, kde jiné těleso· 61 z poddajného materiálu má průchozí otvor pro pístnici 52, povlečený hmotou odolnou proti tření, a ramena obklopující z obou stran jinou část přepážky 66 s přiměřenou radiální vůlí.

Obr. 8 znázorňuje další příklad provedení generátoru podle vynálezu. V tomto provedení hnací válec 1 dvoudobého motoru, který obsahuje dva písty pracující proti sobě, pohání vzduchový kompresor odpovídající vysokotlakému čerpadlu 20 z obr. 5, avšak opatřený pouze jediným válcem s velkým objemem. Vzduchový kompresor má dva písty 71, 72 kompresoru, pracující proti sobě a spojené s řídicími deskami 35, 36. Vypouštěcí otvor 22 pro vzduch je opatřen vypouštěcím ventilem 23. Oba písty 71, 72 kompresoru jsou tvořeny tělesem s axiálními otvory 73 a s kroužkem 74, který je uložen s axiální vůlí a pracuje jako ventil. Axiální otvory 73 jsou uzavřeny tímto kroužkem. 74, když se písty 71, 72 kompresoru pohybují k sobě. Vzduch obsažený v prostoru mezi oběma písty 71, 72 kompresoru je tedy stlačován a vytlačován přes vypouštěcí ventil 23. Když se písty 71, 72 kompresoru pohybují směrem od sebe, vzduch přiváděný do válce prochází axiálními otvory 73, které jsou v tomto okamžiku uvolněny, a naplňuje prostor mezi oběma písty 71, 72 kompresoru.

V tomto provedení je hydrostatický okruh z obr. 1 upraven na pneumatický okruh.

Mazání mechanických součástí je zajištěno v tomto příkladě provedení spojitým rozprašováním přiměřeného množství oleje do přiváděného’ vzduchu. Tím je zajištěno* dokonalé mazání a výborné utěsnění celé pracovní jednotky.

Obr. 9 a 10 ukazují obměnu provedení z obr. 8, která se liší od obr. 8 tím, že písty 71, 72 vzduchového kompresoru nejsou opatřeny axiálními otvory a přívodní otvor 21 je umístěn vedle vypouštěcího otvoru 22. Toto provedení slouží s výhodou jako* kompaktní motorový kompresor, který má všechny výhody vyplývající z konstrukce generátoru podle vynálezu.

Na obr. 5, 8 a 9 je znázorněno’ výhodné provedení kulových kloubů 75 spojujících pístnice 52 s řídicími deskami 35, 36. Kulový kloub 75 sestává ze dvou dílů 76, 77. První díl 76 je připojen k pístnici a druhý díl 77 má dotekovou tlačnou plochu, jejíž poloměr křivosti je větší než poloměr kři10 v-osti prvního dílu 78, na který působí menší tahová síla.

Claims (6)

1. pRedmet

   1. Generátor energie, sestávající z tělesa opatřeného středovým vrtáním, kterým prochází hřídel, alespoň dvěma hnacími válci se dvěma protiběžnými písty a dvěma řídicími deskami, z nichž každá spojuje vzájemně si odpovídající písty jednotlivých válců, vyznačený tím, že těleso sestává ze tří oddílů oddělených od sebe pevnými nepropustnými přepážkami (41, 42), z nichž střední oddíl obsahuje hnací válce (1) a každý postranní oddíl jednu řídicí desku (35, 36), přičemž písty (2A, 2Bj jsou umístěny na protilehlých koncích hnacích válců (1) a jejich pístnice (52) procházejí v přepážkách (41, 42) nehybnými těsnými spoji.
2. 2. Generátor energie podle bodu 1 vyznačený tím, že každý těsný spoj sestává z tělesa (51) se střední kulovou částí opatřenou průchozím vrtáním pro pístnici (52 j, a z objímky (53), v níž je těleso (51) pohyblivě uloženo, a opatřené dvěma dvojicemi vzáVYNÁLEZU jemně rovnoběžných ramen (54, 55), která jsou kolmá k podélné ose tělesa (51) a svírají s radiální vůlí část přepážky (56).
3. 3. Generátor energie podle bodu 1 vyznačený tím, že každý těsný spoj sestává z poddajného tělesa (61), opatřeného nejméně jedním průchozím otvorem s povlakem z materiálu odolného proti tření, a rameny svírajícími s radiální vůlí část přepážky (56).
4. 4. Generátor energie podle bodu 1 vyznačený tím, že pístnice (52) hnacích válců (2A, 2Bj jsou připojeny k řídicím deskám (35, 36) kulovými klouby (75), které mají dvě dotekové a tlačné plochy se vzájemně odlišným poloměrem křivosti.
5. 5. Generátor energie podle jednoho z bodů 1 až 4 vyznačený tím, že alespoň jedna řídicí deska (35, 36) je spojena s pístnicí nejméně jednoho válce vysokotlakého čerpadla (20).
6. 7 listů výkresů

   Severografia, n. p., závod 7, Most