CZ11613U1 - Pohonná jednotka - Google Patents

Description

Pohonná jednotka

Oblast techniky

Technické řešení se týká pohonné jednotky, sestávající z lopatkové turbiny, která je spojovacím vedením propojena se spalovací komorou a ve spojovacím vedení je uložena uzávěra s řídicím prvkem, přičemž spalovací komora je spojovacím potrubím propojena s pístovým kompresorem, v jehož válci je suvně uložen píst.

Dosavadní stav techniky

Spalovací turbiny představují jeden z nejefektivnějších termomechanických strojů, sloužících k přeměně tepelné energie ze spalovaného paliva na energii mechanickou. Ve srovnání s pístovými motory mají spalovací turbíny vyšší účinnost a jednodušší konstrukci.

Pro pohon automobilů však známe spalovací turbíny nejsou příliš vhodné a to zejména z důvodu problematické regulace chodu.

Výkon automobilové pohonné jednotky je nutno při provozu měnit z minimálních hodnot na maximální hodnoty v průběhu řádově několika sekund.

Známe spalovací turbíny samozřejmě regulaci výkonu umožňují, avšak pouze při zachování podmínek hoření a stability hoření ve spalovací komoře. Regulace výkonu spalovacích turbín množstvím přiváděné spalovací látky musí být spojena s regulací množství vzduchu přiváděného do spalovací komory v závislosti na tlaku a podmínkách spalování. Změny je tudíž nutno provádět postupně a dostatečně pomalu.

Dalším problémem, který omezuje možnost použití známých spalovacích turbin pro pohon automobilů, je problematika tzv. „chodu na prázdno“. Automobilové pohonné jednotky musí při rozjezdu automobilu umožnit během několika sekund přejít z „chodu na prázdno“, to je ze stavu, kdy motor nepodává žádný efektivní výkon a má minimální spotřebu pohonných hmot, do stavu vysokého výkonu. U známých spalovacích turbin je z důvodu nutnosti zachování dostatečného tlaku a prodění ve spalovací komoře dosažení efektivního „chodu na prázdno“ problematické.

Tyto problémy se u známých spalovacích turbin řeší tak, že se kontinuální spalování nahradí spalovacími cykly. Rozprášení daného množství paliva ve vzduchu v průběhu cyklu umožňuje nastavení optimálního složení směsi pro daný režim provozu turbiny. Takováto řešení jsou popsána v dokumentech US 4365472, US 4288981, EP 240850 a WO 8201744.

Cílem řešení je navrhnout pohonnou jednotku se spalovací turbínou, jejíž výkon bude možné spolehlivě regulovat a přitom bude konstrukčně jednodušší než stávající známá provedení.

Podstata technického řešení

Uvedeného cíle se dosahuje pohonnou jednotkou, sestávající z lopatkové turbiny, která je spojovacím vedením propojena se spalovací komorou a ve spojovacím vedení je uložena uzávěra s řídicím prvkem, přičemž spalovací komora je spojovacím potrubím propojena s pístovým kompresorem, v jehož válci je suvně uložen píst, podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že válec pístového kompresoru je alespoň jedním plnicím kanálem propojen se zásobníkem stlačeného vzduchu, přičemž plnicí kanál je do válce pístového kompresoru zaústěn v oblasti, která leží nad místem, ke kterému dosahuje horní hrana pístu v jeho dolní poloze a spojovací potrubí je do válce pístového kompresoru zaústěno v oblasti, která leží nad místem, ke kterému dosahuje horní hrana pístu v jeho horní poloze.

Pohonná jednotka podle technického řešení je konstrukčně jednodušší a tudíž i provozně spolehlivější a výrobně levnější.

- 1 CZ 11613 Ul

Podle výhodného provedení má zásobník stlačeného vzduchu na vstupu uspořádán plnicí kompresor.

Podle dalších výhodných provedení může být plnicí kompresor propojen s lopatkovou turbinou, případně s ní může být uložen na společném hřídeli.

Pro usnadnění regulace je píst pístového kompresoru propojen s první vačkou, která je propojena s řídicím prvkem uzávěry.

Řídicí prvek uzávěry je pro zjednodušení konstrukce tvořen druhou vačkou.

Ve výhodném provedení je pístový kompresor dvouválcový s protilehlými písty, mezi kterými je uspořádána společná první vačka.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude blíže popsáno s odkazy na výkresy, na kterých je na obr. 1 schematicky znázorněn první příklad provedení pohonné jednotky s lopatkovou turbinou. Na obr. 2 až 5 jsou znázorněny jednotlivé pracovní fáze pohonné jednotky podle obr. 1. Na obr. 6 je pohled shora na pístový kompresor. Na obr. 7 je dvouválcový kompresor pro další variantu pohonné jednotky podle obr. 1.

Příklady provedení

Na obr. 1 je schematicky znázorněn první příklad provedení pohonné jednotky, která sestává ze známé spalovací lopatkové turbiny 1, která je spojovacím vedením J_5 propojena se spalovací komorou 12. Ve spojovacím vedení 15 je uložena uzávěra 13 s řídicím prvkem 14. Ve znázorněném provedení je řídicí prvek 14 uzávěry 13 tvořen druhou vačkou 21.

Spalovací komora 12 je spojovacím potrubím 10 propojena s pístovým kompresorem 18. Spalovací komora 12 má známé provedení s přívodem 19 paliva a zážehovým prvkem U, které není třeba blíže popisovat.

Válec 5 pístového kompresoru 18 je plnicím kanálem 4 propojen se zásobníkem 3 stlačeného vzduchu. K doplňování stlačeného vzduchu do zásobníku 3 lze použít jakékoliv známé zařízení. Ve znázorněném provedení je použit rotační plnicí kompresor 2, uložený na společném hřídeli s lopatkovou turbinou 1.

Plnicí kanál 4 ze zásobníku 3 stlačeného vzduchuje do válce 5 pístového kompresoru 18 zaústěn v oblasti, která leží nad místem, ke kterému dosahuje horní hrana pístu 6 v jeho dolní poloze a spojovací potrubí 10 od spalovací komory 12 je do válce 5 pístového kompresoru 18 zaústěno v oblasti, která leží nad místem, ke kterému dosahuje horní hrana pístu 6 v jeho horní poloze.

Pohyb pístu 6 pístového kompresoru 18 je řízen řídicí jednotkou 8 přes první vačku 7. Hřídel 9 první vačky 7 je mechanickou vazbou 17 synchronizována s hřídelem 16 druhé vačky 21 uzávěry

13.

Na obr. 6 je pístový kompresor 18 s první vačkou 7 v pohledu shora.

Na obr. 2 až 5 jsou znázorněny jednotlivé pracovní fáze pohonné jednotky podle obr. 1. Pro zjednodušení není zobrazena lopatková turbina 1, ani plnicí kompresor 2.

Na obr. 2 je pístový kompresor _T8 znázorněn ve fázi sání. Píst 6 je v dolní poloze, takže jeho horní hrana nepřekrývá plnicí kanál 4, kterým do prostoru nad pístem 6 proudí ze zásobníku 3 stlačený vzduch. V zásobníku 3 se udržuje tlak plnicím kompresorem 2. Uzávěra 13 ve spojovacím vedení 15 k turbině 1 se začíná uzavírat.

Na obr. 3 je zobrazena fáze komprese. Uzávěra 13 uzavřena a píst 6 pístového kompresoru 18 stlačuje nasátý vzduch do spalovací komory 12. Přívodem 19 je do stlačeného vzduchu rozprašováno palivo.

-2CZ 11613 Ul

Na obr. 4 je znázorněna fáze spalování palivové směsi ve spalovací komoře 12. Stlačená palivová směs je zapálena zážehovým prvkem 11. Uzávěra 13 se otevře a spaliny proudí spojovacím vedením 15 k lopatkám neznázoměné lopatkové turbiny I. Píst 6 pístového kompresoru 18 zůstává v horní poloze a uzavírá tak spojovací potrubí JO.

Po dohoření směsi se píst 6 vrací do dolní polohy. Po odkrytí kanálu 4 proudí stlačený vzduch ze zásobníku 3 do válce 5 pístového kompresoru 18 a do spalovací komory 12, odkud vytlačuje zbytky spalin (viz. obr. 5). Po uzavření uzávěry 13 může započít celý cyklus znovu.

Pístový kompresor 18 samozřejmě nemusí být pouze jeden a jedno válcový. Na obr. 7 je znázorněn dvouválcový pístový kompresor J8 s protilehlými písty 6, pevně propojenými společnou pístnicí 20. Mezi protilehlými písty 6 je uspořádána společná první vačka 7. U tohoto provedení se zbytkový tlak spalin ze spalovací komory J2 využije ke kompresi v protilehlém válci 5.

Popsaná provedení mají spalovací komoru 12 se zážehovým prvkem 11, jedná se tedy o tzv. zážehový typ. Poměr objemu spalovací komory 12 ke zdvihovému objemu pístového kompresoru 18 je u zážehového typu výhodné navrhnout v rozmezí 1 : 2 až 1 : 4.5. V zásobníku 3 se plnicím kompresorem 2 s výhodou udržuje tlak v rozmezí 0,2 až 0,4 MPa. Pohonná jednotka samozřejmě může být realizována i se spalovací komorou 12 ve vznětovém provedení, to je bez zážehového prvku 11, přičemž palivo se vstřikuje přímo do spalovací komory 12 do kompresí stlačeného vzduchu. U vznětového provedení je výhodný poměr objemu spalovací komory J2 ke zdvihovému objemu pístového kompresoru 18 v rozmezí 1 : 3 až 1 : 10 a tlak v zásobníku 3 v rozmezí 0,2 až 0,6 MPa.

Pro odborníka v dané oblasti techniky je zřejmé, že je možno použít jakýkoliv typ spalovací turbíny a to jak radiální, tak i axiální.

Řídicí a regulační prvky také není třeba blíže specifikovat, neboť jsou pro odborníka dostatečně známé.

Seznam vztahových značek:

lopatková turbina plnicí kompresor zásobník stlačeného vzduchu plnicí kanál válec píst první vačka řídicí jednotka hřídel první vačky spojovací potrubí zážehový prvek spalovací komora uzávěra řídicí prvek spojovací vedení hřídel druhé vačky mechanická vazba pístový kompresor přívod paliva společná pístnice druhá vačka.

Claims (7)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Pohonná jednotka, sestávající z lopatkové turbiny (1), která je spojovacím vedením (15) propojena se spalovací komorou (12) ave spojovacím vedení (15) je uložena uzávěra (13) s řídicím prvkem (14), přičemž spalovací komora (12) je spojovacím potrubím (10) propojena s pístovým kompresorem (18), v jehož válci (5) je suvně uložen píst (6), vyznačující se tím, že válec (5) pístového kompresoru (18) je alespoň jedním plnicím kanálem (4) propojen se zásobníkem (3) stlačeného vzduchu, přičemž plnicí kanál (4) je do válce (5) pístového kompresoru (18) zaústěn v oblasti, která leží nad místem, ke kterému dosahuje horní hrana pístu (6) v jeho dolní poloze a spojovací potrubí (10) je do válce (5) pístového kompresoru (18) zaústěno v oblasti, která leží nad místem, ke kterému dosahuje horní hrana pístu (6) v jeho horní poloze.
2. 2. Pohonná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že zásobník (3) stlačeného vzduchu má na vstupu uspořádán plnicí kompresor (2).
3. 3. Pohonná jednotka podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že plnicí kompresor (2) je propojen s lopatkovou turbinou (1).
4. 4. Pohonná jednotka podle kteréhokoliv z nároků 2a 3, vyznačující se tím, že plnicí kompresor (2) je uložen na společném hřídeli s lopatkovou turbinou (1).
5. 5. Pohonná jednotka podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že píst (6) pístového kompresoru (18) je propojen s první vačkou (7), která je propojena s řídicím prvkem (14) uzávěry (13).
6. 6. Pohonná jednotka podle nároku 5, vyznačující se tím, že řídicí prvek (14) uzávěry (13) je tvořen druhou vačkou (21).
7. 7. Pohonná jednotka podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že pístový kompresor (18) je dvouválcový sprotilehlými písty (6), mezi kterými je uspořádána společná první vačka (7).