CZ20002195A3 - Způsob doplňkového ohřevu motorů plněných přídavným vzduchem a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Způsob se týká doplňkového ohřevu pro motory uspořádané pro provoz bez škodlivých emisí, které jsou plněny vstřikováním přídavného vzduchu do spalovací komory (2) a jsou opatřeny zásobníkem vysokotlakého vzduchu (23). Stlačený vzduch obsažený ve vysokotlakém zásobníku je před finálním užitím pod nižším pracovním tlakem nejdříve veden do tepelného ohřívače (56), aby se před jeho vstřikováním do spalovací nebo přetlakové komory (2) zvýšil jeho tlak a/nebo objem.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká pozemních vozidel a zejména vozidel jejichž motor je uspořádán pro provoz bez škodlivých emisí, který může, ale nemusí být opatřen samostatnou spalovací komorou, je plněn vstřikováním přídavného stlačeného vzduchu a je opatřen zásobníkem vysokotlakého vzduchu.

Dosavadní stav techniky

Autor ve své žádosti WO 96/27737 popisuje způsob provozu motoru bez škodlivých emisí, který je opatřen samostatnou vnější spalovací komorou a pracuje v alternativním režimu s možností využití dvou druhů energie. Při provozu na silnicích je motor plněn buď běžným palivem (režim vzduch - palivo), nebo přídavným stlačeným vzduchem (případně jiným neznečišťujícím plynem) s vyloučením jakéhokoli jiného paliva (režim vzduchový, tj. s přidáváním stlačeného vzduchu), který je využitelný zejména v městských a příměstských aglomeracích a při malých rychlostech. V přihlášce FR 9607714 její autor popisuje uspořádání tohoto typu motoru pracujícího v režimu s přídavným stlačeným vzduchem v dopravních prostředcích veřejných služeb, např. v městských autobusech.

U tohoto typu motoru, při režimu vzduch-palivo, je směs vzduchu a paliva nasávána a stlačována v samostatné sací a kompresní komoře. Stlačená směs poté odchází do samostatné spalovací komory konstantního objemu, kde je zapálena a tím se zvýší její teplota a tlak. Po otevření potrubí mezi spalovací nebo přetlakovou komorou a expanzní a výfukovou komorou odchází tato směs do expanzní komory, kde se rozpíná a vykoná práci. Uvolněné plyny pak odchází výfukovým potrubím do atmosféry.

Jestliže není nutný plný výkon, je motor převeden do režimu s přídavným stlačeným vzduchem, který se především týká vynálezu. V tomto režimu je z činnosti vyřazena palivová tryska. Do spalovací komory se ihned po jejím naplnění stlačeným vzduchem bez paliva, který přichází ze sací a kompresní komory, přivede z vnějšího zásobníku malé množství stlačeného vzduchu. V tomto zásobníku je vzduch uskladněn pod vysokým tlakem, např. 200 barů, a při teplotě okolního prostředí. Toto malé množství stlačeného vzduchu o teplotě okol-

• · · ·

φφφφ

-2ního prostředí se při kontaktu se vzduchem o vysoké teplotě ve spalovací nebo přetlakové komoře ohřeje, rozpíná se a zvýší tlak v komoře, který pak při rozpínání vykoná práci.

Motor pracující s využitím dvou druhů energie (vzduch a palivo, resp. vzduch a přídavný stlačený vzduch) lze upravit pro provoz v režimu vzduch-přídavný stlačený vzduch a jako takový může být využit k pohonu vozidel v městském provozu, zejména k pohonu městských autobusů nebo jiných dopravních prostředků veřejných služeb (taxi, svoz odpadu apod.). Jeho úprava spočívá v odejmutí všech součástí týkajících se užití běžného paliva.

Motor pak bude pracovat pouze v režimu vzduch-přídavný vzduch, přičemž přídavný vzduch bude vstřikován do spalovací komory, která se v tomto případě stává přetlakovou komorou. Vzduch nasávaný motorem může být filtrován a čištěn několika filtry s aktivním uhlím nebo mechanicky, chemicky, molekulovým sítkem apod. Filtrováním nasávaného vzduchu nedochází při provozu motoru ke znečištění prostředí. V textu je pojem „vzduch“ ekvivalentní pojmu Jakýkoli neznečišťující plyn“.

U tohoto typu motoru je přídavný stlačený vzduch vstřikován do spalovací nebo přetlakové komory pod pracovním tlakem určeným v závislosti na existujícím tlaku v komoře. Pracovní tlak je znatelně větší než tlak v komoře, např. 30 barů, aby stlačený vzduch mohl do komory proniknout. K tomu je použit detandér známého typu, který způsobí expanzi bez práce absorbující teplo, a tedy bez snížení teploty, která umožní vstříknout do spalovací nebo přetlakové komory expandovaný vzduch (v tomto příkladu pod tlakem přibližně 30 barů) a při teplotě okolního prostředí.

Tento způsob vstřikování stlačeného přídavného vzduchu může být také využit u běžných dvoudobých a čtyřdobých motorů, u kterých se tento vzduch vstříkne do spalovací komory motoru jakmile píst dosáhne horní úvratě.

Podstata vynálezu

Vynález navrhuje řešení týkající se způsobu zvýšení množství použitelné energie. Způsob se vyznačuje prostředky pro jeho provádění a zejména tím, že stlačený vzduch před jeho přivedením do spalovací a/nebo přetlakové komory prochází tepelným ohřívačem, kde zvýší svůj tlak a/nebo objem, a tím se zvýší jeho výkon využitelný pro práci motoru.

V přihlášce č. 9700851 popisuje její autor způsob zachycení tepelné energie z okolního prostředí pro tento typ motoru. Vzduch uskladněný ve vysokotlakém zásobníku

-3pod tlakem např. 200 barů a při teplotě okolního prostředí, např. 20°C, expanduje např. ve válci s pístem tak, aby se jeho tlak přiblížil hodnotě jeho finálního užití, tj. např. 30 barů. Při své expanzi v tomto válci vykoná práci, která je zachycena a využita všemi známými mechanickými, elektrickými, hydraulickými nebo jinými prostředky. V důsledku této expanze konající práci se vzduch stlačený na hodnotu blížící se jeho užití ochladí na velmi nízkou teplotu, např. na teplotu minus 100°C. Stlačený, ale na použitelnou hodnotu expandovaný vzduch o velmi nízké teplotě se poté odvádí do tepelného výměníku vzduch/vzduch, kde se v kontaktu s teplotou okolního vzduchu znovu ohřeje na teplotu blízkou okolnímu vzduchu a zachycením tepelné energie z atmosféry se zvýší jeho tlak a/nebo objem.

Vynález rovněž navrhuje řešení týkající se způsobu dalšího navýšení použitelné energie při využití výše popsaného způsobu zachycení okolní tepelné energie. Tento způsob se vyznačuje prostředky kjeho provádění a zejména tím, že stlačený vzduch po jeho průchodu tepelným výměníkem vzduch/vzduch a před jeho přivedením do spalovací komory prochází tepelným ohřívačem, ve kterém se znovu zvýší jeho tlak a/nebo objem a tím se zvýší jeho výkon využitelný pro práci motoru.

Využití tepelného ohřívače je výhodné z hlediska možnosti použití čistých stáložárných látek, které mohou být katalýzou nebo jinými známými prostředky zbaveny nečistot. Ohřívač může být plněn běžným palivem, např. benzínem, směsnými plyny nebo jinými známými látkami, případně lze použít chemické reakce a/nebo elektrické energie.

Příslušný odborník vypočítá množství vysokotlakého vzduchu pro plnění systému expanze konající práci, parametry a objemy systému tak, aby finální užitný tlak a vzhledem k výkonu ohřívače co nejnižší teplota odpovídaly v konečné fázi expanze danému motoru. Množství užitého stlačeného vzduchu, proces výměny teploty a zahřátí vzduchu ve výměníku může být optimalizováno elektronickým řízením. Odborník rovněž vypočítá rozměry a parametry ohřívače, kterým může být uspořádán známými způsoby, aniž by se tím změnila podstata vynálezu.

Vynález se vyznačuje také tím, že tepelný ohřívač, který je užit pro ohřátí stlačeného vzduchu přicházejícího z vysokotlakého zásobníku a případně ze systému pro zachycení okolní tepelné energie, je rovněž použit samostatně nebo v kombinaci s oběma výše popsanými způsoby pro ohřívání stlačeného vzduchu před jeho odvedením do spalovací • · • · · ·

-4a/nebo přetlakové komory a v důsledku toho se v komoře zvýší celkový tlak před expanzí vzduchu v expanzní a výfukové komoře, kde dochází k pracovnímu zdvihu.

Stlačený vzduch přichází do tepelného ohřívače z vysokotlakého zásobníku, ze zařízení pro zachycení okolní tepelné energie a ze sací a kompresní komory, a to odděleně nebo v kombinaci v závislosti na podmínkách jeho využití.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude blíže objasněn na příkladech s odkazy na výkres, na kterém znázorňuje : obr. 1 - schématicky a v příčném průřezu motor uspořádaný pro provoz bez škodlivých emisí opatřený zařízením pro tepelné ohřívání, obr. 2 - v příčném řezu stejný motor se systémem pro zachycení okolní tepelné energie a opatřený zařízením pro tepelné ohřívání, obr. 3 - motor opatřený tepelným ohřívačem s paralelním potrubím pro přivádění stlačeného vzduchu ze sací a kompresní komory, obr. 4 - motor uspořádaný spojením tří způsobů podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je schématicky a v příčném řezu znázorněn motor uspořádaný pro provoz bez škodlivých emisí a opatřený zařízením pro jeho plnění stlačeným vzduchem. Součástí motoru je sací a kompresní komora 1, spalovací nebo přetlaková komora 2 konstantního objemu do které ústí vstřikovací tryska 22 přídavného vzduchu napájená stlačeným vzduchem z vysokotlakého zásobníku 23, a expanzní a výfuková komora 4. Sací a kompresní komora 1 je spojena se spalovací a přetlakovou komorou 2 potrubím 5 jehož otevření a uzavření je řízeno ventilem 6. Spalovací nebo přetlaková komora 2 je spojena s expanzní a výfukovou komorou 4 potrubím 7, jehož otevření a uzavření je řízeno ventilem 8. Do sací a kompresní komory 1 přichází vzduch sacím potrubím 13 jehož uzavření a otevření je řízeno ventilem 14, před kterým je umístěn vzduchový filtr 24 s aktivním uhlím.

Sací a kompresní komora 1 působí jako pístový kompresor, ve kterém píst 9 pohybující se ve válci 10 je poháněn ojnicí JJ. a klikovým hřídelem 12. Expanzní a výfuková komora 4 je uspořádána stejně jako pracovní válec běžného pístového motoru, ve kterém píst • · ··· · tftf··

- 515 pohybující se ve válci 16 pohání prostřednictvím ojnice Γ7 klikový hřídel 18. Expandovaný vzduch odchází výfukovým potrubím 19 jehož otevření a uzavření je řízeno ventilem 20. Otáčení klikového hřídele 12 sací a kompresní komory 1 pohání prostřednictvím mechanického spoje 21 hnací klikový hřídel 18 expanzní a výfukové komory 4.

Podle vynálezu je mezi zásobníkem 23 vysokotlakého vzduchu a kalibrovanou vyrovnávací nádrží 43 s obsahem vzduchu o finálním a téměř konstantním pracovním tlaku, zařazen do potrubí 37A tepelný ohřívač 56 s hořáky 57. Tyto hořáky podstatně zvýší teplotu a tedy tlak a/nebo objem stlačeného vzduchu, který přichází ze zásobníku 23 (ve směru šipek F) a prochází hadem 58 ohřívače. Tím se významně zvýší výkon motoru.

Na obr. 2 je motor opatřen zařízením pro zachycení okolní tepelné energie. V tomto případě expanze konající práci s využitím vysokotlakého vzduchu skladovaného v zásobníku 23 probíhá v systému uspořádaném ze zapuštěného válce 55, ve kterém obíhá pracovní píst 54 na ojnicí 53 uložené na hnacím hřídeli 18. Píst 54 obíhající ve válci 55 vymezuje pracovní komoru 35 do které ústí jednak přiváděči potrubí 37 vysokotlakého vzduchu, jehož otevření a uzavření je řízeno elektromagnetickým šoupátkem 38, a jednak výfukové potrubí 39 spojené s tepelným výměníkem vzduch/vzduch nebo chladičem 41. Chladič je spojen potrubím 42 s vyrovnávací nádrží 43. Jakmile pracovní píst 54 dosáhne horní úvratě, elektromagnetické šoupátko 38 se otevře a poté uzavře a propustí příslušné množství vysokotlakého vzduchu, který expanduje a tlačí píst 54 až do dolní úvratě, přičemž prostřednictvím ojnice 53 pohání hnací hřídel 18. Při návratu pístu 54 k horní úvrati se elektromagnetické šoupátko 40 výfukového potrubí otevře a stlačený avšak expandovaný vzduch o velmi nízké teplotě obsažený v pracovní komoře proudí (ve směru šipky F) do výměníku vzduch/vzduch nebo chladiče 44. Zde se vzduch znovu ohřeje na teplotu blízkou teplotě okolního prostředí a tím, že převezme nezanedbatelné množství tepelné energie z atmosféry, zvětší svůj objem a dále postoupí do vyrovnávací nádrže.

Podle vynálezu je do potrubí 42A mezi tepelný výměník 41 vzduch/vzduch a vyrovnávací nádrž 43 umístěn tepelný ohřívač 56 jehož hořáky 57 významně zvýší teplotu a tedy tlak a/nebo objem stlačeného vzduchu procházejícího hadem 58 ve směru šipek F od výměníku 41 vzduch/vzduch.

Podle dalšího znaku vynálezu, který je znázorněn na obr. 3, je tepelný ohřívač 56 propojen se sací a kompresní komorou 1. Část vzduchu stlačeného pístem 9 je vedena (ve směru šipek F) z této komory do tepelného ohřívače 56. Při průchodu hadem 58 se tento • · • · ·

-6vzduch pod hořáky 57 znovu ohřeje, zvýší se jeho tlak a/nebo objem, a poté přichází do vyrovnávací nádrže 43 odkud je vstřikován tryskou 22 do spalovací a/nebo přetlakové komory 2.

Na obr. 4 je schématicky znázorněno zařízení obsahující kombinaci všech tří uspořádání z obr. 1, 2 a 3. Hořáky 57 tepelného ohřívače 56 zahřívají současně část vzduchu, který byl stlačen pístem 9 v sací a kompresní komoře i a před jeho proniknutím do vyrovnávací nádrže 43 prochází hadem 58, a stlačený vzduch přicházející ze zásobníku přes zařízení pro zachycení okolní tepelné energie a tepelný výměník 41 vzduch/ vzduch.

Stlačený vzduch ze zásobníku 23 přichází do tepelného ohřívače 56 potrubím 3 7A, ze zařízení pro zachycení okolní tepelné energie 41 potrubím 42 a ze sací a kompresní komory i potrubím 42A. Každé uvedené potrubí je opatřeno řízenými regulačními ventily 59, 59A 59B, které v závislosti na podmínkách užití vzduchu propustí do ohřívače stanovené množství stlačeného vzduchu.

Činnost regulačních klapek, zapalování hořáků a regulace intenzity jejich hoření je řízeno tak, aby větší či menší zahřátí stlačeného vzduchu procházejícího hadem ohřívače odpovídalo potřebám energie pro provoz vozidla s takto uspořádaným motorem.

Vyrovnávací nádrž 43, která je umístěna mezi tepelným ohřívačem 56 a tryskou 22 může být výhodně opatřena tepelnou izolací 43 A aby zde nedošlo ke snížení teploty stlačeného vzduchu oproti teplotě, kterou získal v tepelném ohřívači 56. Objem vyrovnávací nádrže 43 a druh izolačního materiálu určí příslušný odborník. Různými prostředky zabraňujícími únik tepla mohou být také opatřena potrubí pro vedení vzduchu. Tím se nijak nezmění podstata vynálezu.

Podstata vynálezu není omezena výše popsanými a znázorněnými příklady a odborník v rámci vynálezu nalezne další možné varianty jeho provedení.

Claims (7)

1. > PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob tepelného ohřevu pro pístové motory nebo vozidla s pístovými motory uspořádanými pro provoz bez škodlivých emisí, které jsou plněny vstřikováním přídavného vzduchu do spalovací nebo přetlakové komory a opatřeny zásobníkem vysokotlakého vzduchu, vyznačující se tím, že stlačený vzduch obsažený ve vysokotlakém zásobníku se před jeho finálním užitím při nižším pracovním tlaku nejdříve odvádí do tepelného ohřívače, aby se před jeho vstřikováním do spalovací nebo přetlakové komory zvýšil jeho tlak a/nebo objem.
2. 2. Způsob tepelného ohřevu podle nároku 1, při kterém se stlačený vzduch obsažený ve vysokotlakém zásobníku před jeho vstupem do tepelného ohřívače při nižším tlaku nejdříve odvádí do systému s proměnlivým objemem, např. do válce s pístem, kde expanduje a dosáhne uvedeného nižšího tlaku, přičemž koná práci v důsledku které se ochladí a takto expandovaný je poté veden do tepelného výměníku, kde se ohřeje okolní tepelnou energií a tím zvýší svůj tlak a/nebo objem.
3. 3. Způsob tepelného ohřevu pro motory nebo vozidla s motory uspořádanými k provozu bez škodlivých emisí, které jsou plněny vstřikováním přídavného vzduchu do spalovací nebo přetlakové komory, vyznačující se tím, že stlačený vzduch v závěru komprese v sací a kompresní komoře se odvádí do tepelného ohřívače, aby se před jeho vstřikováním do spalovací nebo přetlakové komory zvýšil jeho tlak a/nebo objem.
4. 4. Způsob tepelného ohřevu podle kteréhokoli z nároků laž 3, vyznačující se tím, že stlačený vzduch přichází do tepelného ohřívače z vysokotlakého zásobníku, ze zařízení pro zachycení okolní tepelné energie, ze sací a kompresní komory, a to odděleně nebo v kombinaci a ve stanoveném množství podle podmínek jeho využití.
5. 5. Zařízení pro tepelný ohřev k provádění způsobu podle nároku 1, vyznačující se t í m, že tepelný ohřívač (26) opatřený hořákem (57) napájeným palivem a výměníkovým hadem (58) je umístěn mezi vysokotlakým zásobníkem (23) a vstřikovací tryskou (22) stlačeného přídavného vzduchu, tento hořák (57) ohřívá vzduch přicházející

   -8z vysokotlakého zásobníku a procházející výměníkovým hadem (58) tak, aby se před jeho vstřikováním do spalovací nebo přetlakové komory (2) zvýšil jeho tlak a/nebo objem, přičemž před vstřikováním prochází ještě vyrovnávací nádrží (43) umístěnou mezi tepelným ohřívačem a vstřikovací tryskou (22), která vyrovnává a zabraňuje efektu pumpování před uvedeným vstřikováním.
6. 8. Zařízení pro tepelný ohřev podle nároku 5 k provádění způsobu podle nároku

   2, vyznačující se tím, že tepelný ohřívač (56) je umístěn do potrubí (42) mezi tepelný výměník vzduch/vzduch nebo chladič (41) zařízení pro zachycení okolní tepelné energie a vyrovnávací nádrž (43) před tryskou pro vstřikováním vzduchu do spalovací a přetlakové komory (2).
7. 9. Zařízení pro tepelný ohřev podle nároku 5 k provádění způsobu podle nároku

   3, vyznačující se tím, že tepelný ohřívač (56) je umístěn mezi sací a kompresní komorou (1) motoru a vyrovnávací nádrží (43), do paralelního potrubí (42) jehož průtok je řízen ventilem (59), který v závěru fáze komprese propustí část vzduchu do tepelného ohřívače, aby se před jeho vstřikováním do spalovací nebo přetlakové komory zvýšil jeho tlak a/nebo objem.

   8. Zařízení pro tepelný ohřev podle nároku 5 k provádění způsobu podle nároku

   4, vyznačující se tím, že do tepelného ohřívače (56) přichází stlačený vzduch porubím (3 7A) z vysokotlakého zásobníku (23), potrubím (42) ze zařízení (41) pro zachycení okolní tepelné energie a potrubím (42A) ze sací a kompresní komory (1) a dále se vyznačuje tím, že uvedená potrubí jsou opatřena řízenými regulačními ventily (59, 59A, 59B), která vzhledem k účelu použití umožňují určit množství stlačeného vzduchu vedeného od každého uvedeného zařízení do tepelného ohřívače.

   9. Zařízení pro tepelný ohřev podle nároku 5, vyznačující se tím, že vyrovnávací nádrž, která je umístěna mezi tepelným ohřívačem (56) a vstřikovací tryskou (22) je tepelně izolována obalem (43A), aby nedošlo ke ztrátě teploty vzduchu akumulované v tepelném ohřívači.