CZ291482B6 - Zařízení pro generování elektrické energie - Google Patents

Abstract

Za° zen (1) pro generov n elektrick energie zahrnuje dvoudob² spalovac motor, kter² je spojen s elektromagnetick²m obvodem zahrnuj c m pevn vinut (2) sdru en s alespo jedn m permanentn m magnetem (3) celistv spojen²m s alespo jedn m p stem (4) um st n²m ve v lci (5) spojen m s p°edzapalovac komorou (10) maj c z kladnu (10') otev°enou sm rem k v lci (5). P°edzapalovac komora (10) je opat°ena jednotkou pro d vkovan vst°ikov n paliva. Za° zen (1) pro generov n elektrick energie je d le opat°eno jednotkou pro navr cen mechanick energie um st nou na konci dr hy p stu (4) p°i jeho expanzn m zdvihu. P°edzapalovac komora (10) m tvar ku elu se vst°ikovac tryskou (14) uspo° danou na jeho vrcholu a permanentn magnet (3) m tvar hranolu s p°edem stanovenou tlouÜ kou, Ü °kou a vzduchovou mezerou vzhledem k pevn mu vinut (2).\

Description

Zařízení pro generování elektrické energie

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro generování elektrické energie, konkrétněji generátoru, ve kterém je mechanická energie dodávaná střídavým pohybem pístů do spalovacího motoru bez klikového hřídele přeměněna na elektrickou energii vzájemným působením permanentních magnetů, které jsou celistvé s uvedenými písty v případě, že se pohybují, s nehybných vinutím, které cyklicky vstupuje a vystupuje v případě pohybu pístu do magnetického pole vytvořeného uvedenými permanentními magnety.

Tento generátor je zřejmě vhodný pro výrobu elektrického proudu, který může být použit buď přímo, např. pro osvětlení, nebo vytápění, rovněž tak nepřímo pro dodávku do elektrických motorů, které mohou být použity pro různé druhy podzemních, vodních, nebo vzdušných dopravních prostředků, nebo pro jiné aplikace.

Kromě toho lze generátor použít všude tam, kde je žádoucí dosažení dobrého výkonu a minimálního znečištění životního prostředí zplodinami a hlukem.

Dosavadní stav techniky

Dosud známé generátory uvedeného typu mají, pokud jde o výše uvedené požadavky, značné nedostatky. Typickým příkladem je generátor popsaný v patentové přihlášce GB 2 219 671 A. Rovněž u tohoto generátoru je výroba elektrické energie dosažena střídavým pohybem magnetů vzhledem k nehybnému vinutí přičemž magnety jsou v případě, že se pohybují, celistvé s písty spalovacího motoru bez klikového hřídele, avšak tento generátor se liší od níže popsaného generátoru ve vzájemném uspořádaní konstrukčních částí a v jejich provedení: uvedené magnety v případě, že se pohybují, oscilují vzhledem k pevnému bodu, který leží v podstatě ve střední průřezové rovině systému obsahujícího vinutí, a kromě toho uvedené pevné vinutí může být rovněž alternativně využito pro výrobu elektrické energie, která je využita na jiném místě než v samotném generátoru, nebo pro výrobu elektrické energie, která se spotřebuje na vytlačení uvedených magnetů z uvedených vinutí za účelem zpětného pohybu pístu vykonaného v rámci kompresního zdvihu. Je tudíž zřejmé, že rozměry takového zařízení v souladu s dodávanou energií jsou mnohem větší než rozměry nutné pro generátor podle vynálezu, ve kterém, jak to bude níže uvedeno, je elektrická energie vyráběna jak v případě, že magnety vstupují do vinutí tak i v případě, že z vinutí vystupují v opačném směru, a ve kterém uvedení systému do chodu a jeho regulace může být provedena jednoduchým způsobem, a to úpravou množství paliva v rámci jednoho pracovního cyklu.

Avšak obvyklá regulace zařízení podle patentové přihlášky GB 2219671A prováděná v jak části spalovacího motoru, tak i elektromagnetické části je nesmírně komplikovaná a tudíž nákladná, co se týče dosažení požadovaného tlaku a zajištění množství vzduchu a paliva přiváděného do pracovního prostoru spalovacího motoru, přičemž charakteristické hodnoty (impedance, odpor, směr proudění, apod.) týkající se elektrického proudu protékajícího vinutím musí být regulovány elektronicky během každého jednotlivého cyklu.

V případě spalování motorového benzínu regulace množství přivedeného vzduchu, které má být kalibrováno stechiometrickým měřením pro jak dva zdvihy, tak i čtyři zdvihy, by měla být provedena nezávisle na výše uvedených elektrických veličinách majících vliv na přívod motorového benzínu a vzduchu uzavíracími ventily. Tyto elektrické veličiny by měly být potom zase upraveny v každém jednotlivém cyklu v souladu s účinkem vyvolaným uvedeným počátečním

- 1 CZ 291482 B6 nastavením. Tím se rozumí, že vhodné počítačové vybavení musí být schopné ukládat a interpolovat velké množství údajů, což činí zařízení nákladné a citlivé.

Množství elektrické energie a napětí vyrobená v různých pracovních cyklech, která jsou ve skutečnosti velmi závislá na frekvenci oscilace magnetů, jsou nepřímo nebo automaticky úměrná množství mechanické energie produkované motorem v závislosti na změně kompresního zdvihu. To znamená nutnost použití poměrně početné skupiny akumulátorů vložených mezi spalovací motor, který akumulátory nabíjí, a elektrické motory, které jsou napájeny elektrickým proudem z těchto akumulátorových baterií.

Konstrukční uspořádání spalovacího motoru, kromě nepřítomnosti klikového hřídele, je v podstatě konvenční, a proto požadovaným cílem je dosažení dobré celkové účinnosti maximalizováním energie v jednom pracovním cyklu za účelem dosažení vysokých teplot a tlaků.

Zatímco z hlediska samotné energie je řešení zřejmé, není tomu tak, pokud jde o znečištění prostředí způsobené spalovacím motorem. Je v podstatě nemožné zabránit tvorbě toxických sloučenin, např. oxidu dusného a oxidu uhelnatého, v případě, že systém tvořený spalovacím motorem pracuje, jak bylo již uvedeno, v podstatě se stechiometrickou směsí při vysokých teplotách uvnitř válce.

Další podobný příklad lineárního generátoru obsahuje Jarrettův motor, který, přestože regulace zpětného pohybu pístu v rámci kompresního zdvihu elektrickým proudem představuje u tohoto motoru menší problém, má všechny ostatní výše uvedené nevýhody a kromě toho za účelem nezvýšení dalších ztrát, které jsou již tak vysoké, je do válce v každém pracovním cyklu přiveden čerstvý vzduch na základě akustické rezonance, která může být pouze dosažena uvnitř omezeného frekvenčního rozmezí, a která vyžaduje, aby motor uvedeného typu byl skutečně elektricky nastartován a potom používán se značně stálým velmi vysokým kompresním poměrem řádově 26:1, což znamená, že tento motor je vhodný pro použití s naftou jako paliva a pro provoz při velmi vysokých a stálých rychlostech, a kromě toho u tohoto motoru je nutné rozptýlit část tepla chlazením a přetrvávají problémy spojené s partikulárními podíly, apod.

V rámci vynálezu se došlo k závěru, že za účelem současného vyřešení problémů týkající se produkce škodlivin, konstrukčního uspořádání jednotlivých částí generátoru, nutnosti použití akumulátorových baterií, malé regulační schopnosti a nízké účinnosti, je nutné vytvořit generátor, ve kterém by elektromagnetická část tvořila spolu se spalovací částí společnou funkční jednotku, která by sama o sobě byla zcela celistvá tak, že pohyb pístu v rámci různých zdvihů tohoto pístu by vedl k mechanické energii produkované spalovací částí, která by v důsledku termodynamických zákonů, zákonů hoření a elektromagnetismu odpovídala energii absorbované elektromagnetickou částí za účelem výroby elektrické proudu pro libovolný zdvih pístu.

Na základě této koncepce byla použitím jedné nebo více předzapalovacích komůrek kromě skutečných válců dosažena ultra-jednoduchá jednotka, která může být elektronicky regulována, zejména regulací pouze množství přiváděného paliva v jednom cyklu a koncové polohy pístu nebo pístů při kompresním zdvihu. Jak to bude popsáno následujícím popise vynálezu, všechny výše uvedené skutečnosti byly dosaženy při velmi nízkých hodnotách maximálních, středních a minimálních teplot použitých termodynamických cyklů (při přibližně polovičních obvyklých hodnotách pro spalovací motor), které vedou k v podstatě nulovému znečištění prostředí a velmi vysoké účinnosti spalovací části při všech provozních rychlostech.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je zařízení pro generování elektrické energie, které zahrnuje dvoudobý spalovací motor, který je spojen s elektromagnetickým obvodem zahrnujícím pevné vinutí

-2CZ 291482 B6 sdružené s alespoň jedním permanentním magnetem celistvě spojeným s alespoň jedním pístem umístěným ve válci spojeném s předzapalovací komorou mající základnu otevřenou směrem k válci, přičemž předzapalovací komora je opatřena jednotkou pro dávkované vstřikování paliva, přičemž zařízení pro generování elektrické energie je dále opatřeno jednotkou pro navrácení 5 mechanické energie umístěnou na konci dráhy pístu při jeho expanzním zdvihu, jehož podstata spočívá v tom, že předzapalovací komora má tvar kuželu se vstřikovací tryskou uspořádanou na jeho vrcholu a permanentní magnet má tvar hranolu s předem stanovenou tloušťkou, šířkou a vzduchovou mezerou vzhledem k pevnému vinutí.

Výhodně k vývodům pevného vinutí je připojena ohmická zátěž s konstantní hodnotou.

Výhodně předzapalovací komora má tvar komolého kuželu, jehož menší uzavřená základna je spojena s válcem jedním nebo více kanálky.

Výhodně předzapalovací komora je opatřena první vstřikovací tryskou, která je uspořádána axiálně na uzavřené základně předzapalovací komory, a druhou vstřikovací tryskou uspořádanou kolmo k ose předzapalovací komory.

Výhodně zařízení pro generování elektrické energie zahrnuje jednu nebo více dvojic pístů 20 uspořádaných protilehle jeden k druhému ve válci.

Výhodně zařízení pro generování elektrické energie zahrnuje alespoň dvě dvojice protilehlých pístů, přičemž každý píst z jedné dvojice protilehlých pístů je celistvě spojen s každým příslušným pístem z jiné dvojice protilehlých pístů spojovacími prvky.

Výhodně každá dvojice protilehlých pístů má společnou předzapalovací komoru s podélnou osou kolmou k ose pístů z dvojice protilehlých pístů.

Výhodně zařízení pro generování elektrické energie zahrnuje dvě předzapalovací komory 30 sdružené s každou dvojicí protilehlých pístů a uspořádané protilehle jedna k druhé.

Výhodně zařízení pro generování elektrické energie zahrnuje nastavovací jednotku uspořádanou podél osy pístů z dvojice protilehlých pístů pro nastavení polohy jednotky pro navrácení mechanické energie.

Výhodně jednotka pro navrácení mechanické energie spojená s krytem válce je spojena ze zemí nebo s prvkem nesoucím zařízení pro generování elektrické energie spojovacími prvky s předem nastavenou pružností ve směru pohybu pístů z dvojice pístů.

Výhodně předzapalovací komora je spojena s pomocným válcem, který je opatřen pomocným pístem celistvě spojeným s pístem válce, přičemž pomocný válec je dále opatřen prvním jednocestným ventilem pro nasávání vzduchu dovnitř pomocného válce při kompresním zdvihu pístu a předzapalovací komora je opatřena druhým jednocestným ventilem pro nasávání vzduchu do předzapalovací komory při expanzním zdvihu pístu k vypláchnutí válce.

Přehled obrázků na výkresech

Za účelem lepšího pochopení vynálezu je v následující části této přihlášky vynálezu uveden 50 popis příkladů provedení, ve kterém jsou činěny odkazy na přiložené výkresy, na kterých obr. 1 zobrazuje podélný řez příkladným provedení jediného válce dvoudobého generátoru podle vynálezu,

-3 CZ 291482 B6 obr. 2 zobrazuje podélný řez dalším provedením generátoru podle vynálezu se dvěma vzájemně protilehlými písty a jedinou společnou spalovací komorou, obr. 3 zobrazuje půdorysný pohled na generátor podle vynálezu opatřeného dvěma páry pístů celistvými se dvěma spalovacími komorami, obr. 4 zobrazuje podélný řez konstrukčního uspořádání vedení magnetu a pevného vinutí, obr. 5 zobrazuje diagram závislosti rychlosti spalování benzínu na hmotnostním poměru mezi vzduchem a benzínem ve směsi, obr. 6 zobrazuje podélný řez dalším příkladným provedením generátoru podle vynálezu s jedním válcem opatřeným přídavným pístem pro vyplachování spalovací komory, obr. 7 zobrazuje křivku celkové účinnosti spalovacího motoru generátoru podle vynálezu, obr. 8 zobrazuje křivku specifické spotřeby spalovacího motoru generátoru podle vynálezu, obr. 9 zobrazuje předzapalovací komorou o tvaru komolého kužele, která je opatřena dvěma vstřikovacími tryskami.

Na obr. 1 je zobrazen generátor, ve které jsou permanentní magnety 3 a nehybná vinutí 2 uspořádána tak, že při expanzním zdvihu pístu 4 se jejich vzájemné spřažení zeslabuje, avšak při kompresním zdvihu pístu 4 se zesiluje. Avšak je možné i opačné uspořádání těchto částí generátoru, to znamená, že při expanzním zdvihu pístu 4 se spřažení mezi permanentními magnety 3 a pevnými vinutími 2 zesiluje a při kompresním zdvihu pístu 4 se toto spřažení zeslabuje.

Jak je to zřejmé z obr. 1, generátor obsahuje válec 5, ve kterém se pohybuje píst 4 spojený vidlicí 4' se dvěma identickými permanentními magnety 3 uspořádanými symetricky vzhledem k ose válce 5. Permanentní magnety 3 jsou během expanzního a kompresního zdvihu pístu 4 zasouvány do dvou nehybných vinutí 2 resp. vysouvány ze dvou nehybných vinutí 2, která jsou rovněž identická a symetrická, přičemž míra zasunutí magnetu do vinutí resp. vysunutí z tohoto vinutí závisí na délce uvedeného zdvihu.

Jak již bylo uvedeno, při kompresním zdvihu pístu se spřažení mezi permanentními magnety 3 a příslušnými pevnými vinutími 2 zesiluje a naopak při expanzním zdvihu pístu se zeslabuje.

Pohyb pístu 4 v jednom směruje způsoben expanzí stlačeného plynu spojenou s účinkem spálení paliva a v druhém směru působením systému určeného pro navrácení mechanické energie, např. systému jedné nebo více torzních pružin, nebo jiného systému zahrnujícího již známé elektromagnetické systémy, které používají elektrickou energii pro navrácení mechanické energie pístu, jako např. již známé a výše uvedené generátory, i když tyto elektromagnetické systémy jsou složitější a nákladnější.

Do předzapalovací komory 10, která má v podstatě kuželovitý tvar a základnu 10' otevřenou směrem k válci, je skrze vstřikovací trysku 14 vstřikováno palivo, které je rozprášeno tak, že nasytí, přibližně stechiometricky, objem vzduchu, který je obsažen v předzapalovací komoře.

Sestava válec/magnet je nesena dvěma nosnými systémy 15, 16 založenými na valivém (smykovém) tření, které mohou být připevněny ktělu uvedeného válce 5, přičemž tyto systémy umožňují provádět zdvih pístu, jak to již bylo uvedeno, s minimálními mechanickými ztrátami.

-4CZ 291482 B6

Přestože na obr. 1 je generátor 1 s dvoudobým motorem zobrazen v klidové poloze, je jednoduché popsat jeho chod. Při nastartování motoru se do předzapalovací komory 10 a válce 5 vstříkne předem stanovené množství řádně rozprášeného paliva a mezi elektrodami 13 uspořádanými blízko základny kužele tvořícího předzapalovací komorou 10 se vytvoří jiskra.

Zařízení dále zahrnuje jednotku pro navrácení mechanické energie tvořenou v tomto příkladném provedení pružinou 7. Exploze směsi vzduch/palivo vytlačí sestavu píst/magnet směrem k pružině 7 a stlačí ji, načež se pružina 7 roztáhne za účelem vrácení stejného množství absorbované kinetické energie, takže píst 4 dokončí zpětný kompresní zdvih.

Rozsah kompresního zdvihu závisí na kinetické energii získané pístem 4 po uvedené počáteční explozi, přičemž od této energie je odečteno množství energie, které je v pevných vinutích 2 během zdvihu v obou směrech přeměněno na elektrickou energii, rovněž tak i různé ztráty.

Výsledná reziduální kinetická energie pístu 4 se potom přemění do kompresního zdvihu specifické délky.

Při konci kompresního zdvihu se hustota, a tudíž objem vzduchu obsaženého uvnitř předzapalovací komory 10, zvýší na míru odpovídající dosažené kompresní hodnotě, přičemž množství 20 benzínu, které je rovné odpovídajícímu stechiometrickému množství nebo mírně větší než toto množství, je vstříknuto vstřikovací tryskou 14 a toto palivo je potom elektrodami 13 zapáleno. V případě elektromagnetického systému podle vynálezu, tzn. systému, ve kterém je pro uvedený kompresní zdvih a pro připojenou pístovou rychlostní křivku (rychlost pístu se ze zřejmých fyzikálních důvodů zvyšuje s mírou komprese) mechanická energie absorbovaná uvedeným 25 elektromagnetickým systémem za účelem výroby elektrické energie při dopředném a vratném zdvihu pístu 4 přesně rovna energii generované ve spalovacím cyklu, píst 4 dokončí jeden expanzní zdvih a jeden vratný kompresní zdvih, přičemž se zastaví přesně v místě jako se zastavil v předcházejícím cyklu, aniž by došlo ke změně kompresního poměru.

Vstřikováním stejného množství paliva pro neurčité množství cyklů je tudíž dosažen provoz generátoru ve stacionárním stavu.

Zvýšení elektrické energie produkované v určitém cyklu je otázkou zvýšení stanoveného množství paliva vstříknutého do předzapalovací komory 10.

Zvýšení množství energie produkované spalováním paliva, které je stanoveno oproti předcházejícímu cyklu v ustáleném stavu, je rozděleno mezi zvýšení množství vyrobené elektrické energie a zvýšení kompresního poměru, jehož nová hodnota zase závisí pouze na nové pozici přijmuté pístem 4 při konci kompresního zdvihu, přičemž za účelem přizpůsobení novým podmínkám 40 odlišným od stacionárního stavu by mělo být do pracovního prostoru vstříknuto množství paliva přiměřené většímu objemu vzduchu obsaženého v předzapalovací komoře 10 a tento stav zůstane stacionární za těchto nových podmínek za předpokladu, že se dosáhne potvrzení toho, co bylo popsáno výše, jinými slovy, že pro tento nový kompresní zdvih a pro křivku relativní rychlosti pístu 4 je energie absorbovaná elektromagnetickým systémem (tzn. množství elektrické energie 45 vyrobené v určitém cyklu dělené elektromagnetickou účinností) přesně stejná jako nová hodnota energie produkovaná spalováním za nových podmínek. Zřejmým způsobem se to samé použije pro snížení rychlosti a omezení zdvihu pístu, ačkoliv v tomto případě musí být množství benzínu najeden cyklus sníženo namísto jeho zvýšení.

V rámci vynálezu se doporučuje zvýšení nasycení vzduchu v předzapalovací komoře 10 při ustálených podmínkách o přibližně 20 % vzhledem k přesné stechiometrické hodnotě, to znamená, že hmotnostní poměr vzduch/benzín bude po zvýšení přibližně rovný 12,2.

-5CZ 291482 B6

Za těchto podmínek může být rychlé zrychlení nebo zpomalení pístu 4 dosaženo zvýšením nebo snížením množství paliva, jak to bylo již popsáno, až o 14 % vzhledem k předcházejícímu cyklu, přičemž se udržují směšovací podmínky uvnitř předzapalovací komory 10 v každém okamžiku tak, aby umožnily spalovací rychlost, která dosahuje pokud možno optimální hodnotu (viz, obr. 5) s relativními výhodami cyklové konfigurace a její termodynamické účinnosti. V případě použití bohatých směsí v předzapalovací komoře 10 jsou při změně rychlosti účinky na generátor podle vynálezu, pokud jde o znečištění, podstatně sníženy: hoření prakticky způsobuje bezprostřední, velmi rychlou expanzi s relativním omezením teploty směsi, která se nehledě na cokoliv jiného mísí s velmi značným objemem vzduchu obsaženého ve válci 5, který má za všech provozních podmínek relativně nízkou teplotu. Pro představu u experimentálního prototypu s maximálním kompresním poměrem p = 8,5 byla pro kompresi v stacionárním tvaru dosažena maximální teplota v cyklu přibližně 756 °C a výtlačná teplota přibližně 164 °C, s (λ)_ν = 10.

Pro odborníka vdané oblasti bude zřejmé, že za těchto podmínek nebude při spalování v podstatě docházet k tvorbě toxických látek (NO_X, CO).

Popsané spalovací procesy, které jsou umožněny použitím předzapalovacích komor 10, rovněž umožňují změnu energie v rámci cyklu, přičemž se udržuje stejný kompresní zdvih nebo naopak se žádná nastavení neprovádí, což nemá, jak bylo uvedeno, žádné negativní účinky v případě, že uživatel napojený na., generátor nevytváří stálou zátěž odporového charakteru, přičemž v tomto případě je regulace provozu omezena na dříve popsanou regulaci, přičemž se zátěž může měnit v závislosti na specifických charakteristických zákonitostech, jako je tomu např. u elektrických motorů nebo u magnetických saturačních jevů. V tomto případě může být volen stejný postup nebo se může měnit množství paliva v kompresní cyklu při udržování stejného zdvihu nebo naopak, za účelem přizpůsobení se časovému rozvoji zatížení, např. v případě rychlé změny točivého momentu hřídele, v důsledku které dochází i ke změně zatížení, což ovlivňuje množství energie, která má být produkována generátorem v jediném cyklu.

Záleží na odborníkovi v daném oboru jak vymezí různé charakteristické provozní křivky, geometrické rozměry motoru a částí generátoru a druh regulace závisející na druhu zátěže, rovněž tak procentuální zvýšení nebo snížení množství paliva na cyklus provedené v různých provozních situacích, přičemž je výhodné, když se kompresní zdvih zvyšuje v generátoru podle vynálezu, potom se efektivní napětí na koncích vinutí zvyšuje podle stejných křivek při úrovní vyšší než první. To je rovněž možné v nejjednodušším případě, ve kterém zátěž je čistě ohmická. Je zřejmé, že výše uvedený jednofázový proud vyrobený v generátoru může být diodami usměrněn nebo jiným způsobem měničem modulován v závislosti na požadavcích uživatele, což umožňuje přímé napájení elektrických motorů ve vozidle, aniž by byla potřeba mezilehlých akumulátorových baterií.

Všechno, co je nutné v případě generátoru 1, pokud jde o regulaci provozu spalovacího motoru, je zaznamenat polohu konce kompresního zdvihu pístu 4 a tento údaj uložit do centrální elektronické jednotky (není zobrazena), která reguluje množství paliva přivedeného v jednom cyklu vstřikovací tryskou 14, přičemž množství přivedeného paliva přesně závisí na pozici dosažené pístem 4 v předcházejícím cyklu, jak to bylo uvedeno, a/nebo na zátěži a jeho případné zvýšení nebo snížení je určeno změnou řídicího povelu, např. změnou úhlové nebo lineární polohy akceleračního pedálu nebo jiným prvkem zcela plnící stejnou funkci.

Je nutné poznamenat, že při použití spalovacího motoru o výkonu přibližně 25,7 kW a konstrukci s výše uvedenými parametry a při změně paliva za cyklus rovnocenné výše uvedené změně o 14 % je přechod z minimálního výkonu na maximální dosažen za méně než 2 s.

V případě, že přívod paliva je úplně přerušen, avšak píst se po velmi krátkém zbytkovém zdvihu, ke kterému dojde v důsledku setrvačnosti, zastaví v pozici, ve které je velikost odporu plynu

-6CZ 291482 B6 obsaženého ve válci 5 při kompresi rovnocenná s velikostí výsledné síly přitažlivosti mezi pevnými magnety 3 a ostatními zmagnetovanými částmi nebo dokonce pouze těmi částmi, které jsou ferromagnetické ajsou spojeny s pevným systémem vinutí 2, přičemž odpor plynu působí proti uvedené výsledné síle.

Naposled uvedené části nejsou zobrazeny na přiložených výkresech, poněvadž mohou mít celou řadu různých tvarových modifikacích a konstrukčních uspořádání, která závisí na požadavcích konstruktéra, přičemž pro odborníka v daném oboru není těžké určit rozměry a umístění těchto částí.

Je užitečné znovu zopakovat, že za účelem správného provozu generátoru by poměr mezi množstvími mechanické energie absorbované generátorem (rovnocennými s množstvími vyrobené elektrické energie dělenými příslušnými poměry elektromagnetické účinnosti) pro provoz s dvěma rozdílnými kompresními zdvihy ve spalovacím motoru měl být stejný jako poměr mezi dvěma odpovídajícími kompresními poměry násobený poměrem dvou celkových výkonů samotného motoru týkajících se těchto kompresních poměrů. Pro lepší pochopení výše uvedeného následuje numerický příklad. Předpokládejme, že pro dva rozdílné zdvihy pístu (a tudíž přidružené magnety) jsou dosaženy dva kompresní poměry rovné 8,5 (:1) a 3,6 (:1) a že celkové účinnosti spalovacího motoru pro uvedené kompresní poměry jsou 0,46 resp. 0,30. Za účelem dosažení předem stanovených cílů musí být magnety a vinutí dimenzovány podle druhu zátěže, jejíž elektrické hodnoty mohou být regulovány, takže poměr mezi množstvími energie spotřebované elektromagnetickou částí generátoru ve dvou rozdílných odpovídajících cyklech, tzn. během jednoho kompresního zdvihu ajednoho expanzního zdvihu pístu odpovídajících uvedeným kompresním poměrům, je rovný 8,5/3,6.0,46/0,30 = 3,6. Jinými slovy mechanická energie spotřebovaná pohybem magnetů v jednom cyklu odpovídajícímu kompresnímu poměru 8,5 by měla být 3,6 krát větší než mechanická energie spotřebovaná v cyklu odpovídajícímu kompresnímu poměru 3,6.

To znamená, že dvě rozdílná množství paliva, která mohou být přibližně stechiometricky smíchána se dvěma rozdílnými množstvími vzduchu obsaženého v předzapalovací komoře a odpovídají uvedeným kompresním poměrům, jsou zdrojem zcela správného množství energie (čistého výkonu) spotřebovaného na pohyb magnetů v případě, že se produkuje elektrická energie.

V případě, že zátěž mezi vinutími je čistě ohmická, výše uvedená skutečnost může být rovněž dosažena vhodným zvolením rozměrů a tvaru magnetů a vinutí, jak to bude níže popsáno, takže tato skutečnost nastane automaticky pro libovolný kompresní zdvih. Jinak řečeno množství paliva za cyklus a/nebo elektrické hodnoty týkající se zátěže mohou být změněny, jak bylo výše uvedeno.

Vnitřní účinnost skutečně funkčních částí generátoru potom určuje množství elektrické energie skutečně vyrobené různými kompresními zdvihy spalovacího motoru.

Výše uvedené může být dosaženo, např. zvýšením počtu závitů v pevném vinutí 2, které je buď provedeno lineárně, nebo sleduje jinou vhodnou křivku vedenou ve směru pronikání pevných magnetů 3 dovnitř vinutí (viz obr. 4), odpovídající úpravou tvaru pevných magnetů 3 a/nebo změnou elektrických hodnot týkajících se zátěže.

Nicméně jsou známé i jiné systémy, které používají množinu magnetů v podstatě ve tvaru hranolu a nehybné vinutí (obr. 4), přičemž tyto magnety a vinutí jsou uspořádány a dimenzovány tak, že elektrická energie generovaná během jednoho cyklu v důsledku jejich vzájemného pohybu pro různé zdvihy (která je rovna fVi dt zajeden pracovní cyklus) sleduje křivku, jejíž tvar může být korigován podle křivky energie generované v jednom cyklu spalovacího motoru (čistý výkon) změnou, např. tloušťky a šířky magnetů a/nebo velikosti vzduchové mezery T (obr. 4) ve směru

-7CZ 291482 B6 pohybu magnetu. Tyto změny nemusí být nutně provedeny, a tudíž konstruktér může rozhodnout, zda použije magnety, které mají tvar hranolu nebo zda změní část objemu vzduchu smíchaného v předzapalovací komoře a/nebo množství paliva použitého k nasycení uvedeného objemu vzduchu, takže množství energie generované motorem při libovolné rychlosti je stejné jako množství energie použité generátorem za účelem výroby elektrické energie.

To je zejména jednoduché v případě, že zátěž je čistě ohmická a má konstantní hodnotu (obr. 4).

Druh spalování, který je dosažitelný jednou předzapalovací komorou 10 pracující tak, jak bylo popsáno, nebo dvěma protilehlými předzapalovacími komůrkami 110 (viz obr. 9), je více podobný druhu spalování dosaženému hořákem spíše než konvenčnímu spalování dosaženému spalovacím motorem a, jak to již bylo uvedeno, poskytuje uvnitř válce velmi nízké teploty, které spolu s velkým množstvím kyslíku pro dokončení spalování velkou měrou zaručují zabránění vzniku toxických produktů, jakými jsou např. CO, HC aNO₂.

Předzapalovací komory zobrazené na obr. 1, 2 a 6 mají kuželovitý tvar a jsou opatřeny pouze jednou vstřikovací tryskou 14 uspořádanou při vrcholu tohoto kužele, avšak v některých případech je užitečné použít předzapalovací komory, které mají tvar, např. v podstatě válce nebo komolého kužele, a jsou opatřeny druhou vstřikovací tryskou 111 umístěnou do polohy kolmé k ose předzapalovací komory (obr. 9). V případě, že válec 9 je spojen pomocí vhodného kanálku 112 s uzavřenou základnou 113 přivrácenou k uvedenému válci 9, potom je možné nasytit žádoucí rozsah pouze části celkového objemu vzduchu obsaženého v předzapalovací komoře.

První vstřikovací tryska 114 uspořádaná při uvedené uzavřené základně 113 může být použita pouze pro počáteční startovací cyklus. S naposled uvedeným uspořádáním a protilehlými předzapalovacími komůrkami je možné úplně zamezit tvorbě jakéhokoliv uhlovodíkového zbytku následkem velmi vysoké turbulence vytvořené srážkami dvou objemů směsi během jejich expanze a spalování.

Až doposud popsaný proces se týká případů, ve kterých je do spalovacího motoru přiváděno palivo s nízkou zápalnou teplotou, jakým je např. motorový benzín, líh nebo plynné palivo, avšak mohou být použita rovněž paliva pro vznětové motory nebojím podobná paliva. V tomto případě jsou v jediné předzapalovací komoře uspořádány dvě vstřikovací trysky (viz, obr. 9), přičemž první je určena pro vstříknutí např. motorového benzínu během přechodné startovací periody, která trvá až do dosažení přiměřeného kompresního poměru pro samovznícení motorové nafty, která je potom vstříknuta druhou tryskou. Toto řešení může být doporučeno v případě vysoce výkonných statických generátorů, ve kterých požadavek na maximální výstup může převažovat nad požadavkem omezení částicových emisí (které mohou být ve skutečnosti omezeny částečnou recyklací výfukových plynů, jak je to níže popsáno).

S tímto typem provozu opět mohou být dosaženy velmi nízké teploty v porovnání s podobnými konvenčními motory.

Jak to již bylo uvedeno, sestava píst/magnet může být při pohybu nesena, např. dvěma nebo více vodícími pouzdry 15 jejichž funkce je založena na valivém tření nebo podobnými zařízeními, přičemž tyto pouzdra klouzají podél vodicích trnů 16 (obr. 1) za účelem snížení tření na nejnižší míru a v tomto případě není nutné mazání jakýchkoliv pohyblivých částí vzhledem k dosaženým nízkým teplotám. Rovněž není žádoucí žádný chladicí systém, což je ve skutečnosti výhodné pro izolování spalovacího motoru tak, že jeho provoz je adiabatický.

Poněvadž spalovací motor, jak to již bylo uvedeno, je dvoudobý, je nutné v každém pracovním cyklu válec nebo válce vypláchnout a znovu do nich přivést vzduch. To je provedeno pohybem pomocného pístu 19 na obr. 6, který v případě, že se pohybuje, je celistvý s pístem 4 motoru a který během kompresního zdvihu pístu nasaje čerstvý vzduch do pomocného válce 20, ve

-8CZ 291482 B6 kterém je tento vzduch pomocí prvního jednocestného ventilu 21 zadržován, zatímco v průběhu expanzního zdvihu uvedeného pístu tento píst stlačuje nasátý vzduch až do okamžiku, kdy druhý jednocestný ventil 22 umožní stlačenému vzduchu vstoupit do předzapalovací komory 10 a poměrného válce 5 v důsledku tlakovému spádu ve vnitřku válce 5 motoru.

Pomocí tohoto systému mohou hodnoty vyplachovacích účinností dosahovat hodnoty blížící se 0,90 bez jakýchkoliv problémů, přičemž je důležité, že tyto hodnoty jsou v podstatě konstantní pro libovolný kompresní zdvih a tudíž pro libovolné množství paliva najeden pracovní cyklus.

Stejného výsledku může být dosaženo pomocným pístem 19' na obr. 9, který je celistvý s pístem 6 a který používá část uvedeného válce 9 motoru jako pomocného válce 20' v souladu s dosud známými technikami spadajícími do stavu techniky týkající se dvoudobých motorů s vnitřním vyplachováním.

Toto řešení je zobrazeno na obr. 9 pro případ protilehlých pístů a níže popsáno.

Poněvadž efektivní expanzní zdvih pístů 4, 6 motoru je rovnocenný pouze odpovídající délce válce 5, 9, zatímco kompresní zdvih pomocného pístu 19, 19' je rovný součtu této délky a kompresního zdvihu pružin, průměr pomocného pístu 19, 19' může být zvolen větší, stejný nebo menší než průměr pístu motoru, což závisí na tom, zda pro určené rychlostní rozmezí je žádoucí úplné nebo částečné vypláchnutí zplodin hoření. Např. ve výše uvedeném prototypu majícího pomocný píst 19 (obr. 6), který má stejný průměr jako píst 4 motoru, úplný výplach proběhne v okamžiku, kdy je dosaženo kompresního zdvihu odpovídajícího kompresnímu poměru rovnocennému 3,5:1, a částečný výplach se sníženým množství vzduchu přivedeného při nižších zdvizích proběhne až je dosaženo výplachu rovnocenného právě 50 % objemu válce při kompresním poměru vzatého jako použité minimum a rovného 1,6:1. Bylo zjištěno, že částečná recyklace spalin hoření slouží zvýšenou měrou při snižování kompresního poměru k tomu, aby byly udrženy teploty a tudíž i doba spalování dost vysoké za účelem zamezení tvorby uhlovodíkových zbytků ve výfukových plynech při přechodné nízké kompresi, ke které dochází při nastartování zařízení 1 pro generování elektrické energie.

Pro optimální provoz generátoru může být použit senzor teploty válce a sonda měřící tlak, přičemž sonda je určena k nepatrné změně množství paliva přivedeného v případě, že motor je studený (při startování), a uvedená sonda, která je zase závislá na pozici pístu při konci komprese, slouží ke změně převahy palivového vstřikovacího čerpadla za účelem dosažení účinného vstřikování kalibrovaného pro všechny provozní stavy.

Tyto komponenty nejsou na obrázcích zobrazeny, poněvadž jsou známé ze stavu techniky a pro odborníka v daném oboru snadno odvoditelné.

Nehledě na výše uvedené, za účelem dalšího zjednodušení konstrukce autogenního generátoru podle vynálezu a zamezení omezujících reakcí a/nebo vibrací současně probíhajících je výhodné použít jednu nebo více dvojic vzájemně protilehlých pístů 6, 6' výhodně s jediným válcem 9 (obr. 2). V tomto případě je možné mít pouze jednu předzapalovací komoru 10 (nebo dvě vzájemně protilehlé předzapalovací komory 110, viz, obr. 9), která je centrálně uspořádaná tak, že její podélná osa h je kolmá k ose k pístů 6, 6'. Za účelem dosažení dokonalé synchronizace několika dvojic pístů v případě, že jsou v provozu, přičemž písty 6, 6' jsou celistvé pomocí spojovacích prvků 8, 8' (obr. 3), tyto písty pracují ve stejném směru při daném okamžiku během pracovního cyklu (prakticky jedna polovina pístů).

V případě použití jednotky pro navrácení mechanické energie, jakou je např. pružina 7, jejíž pozice je nastavitelná ve směru osy K pohybu pístů spřažených s těmito komponentami, může být během pracovního cyklu generováno rozdílné množství elektrické energie, aniž by došlo ke změně žádoucí frekvence nebo tato frekvence může být regulována použitím stejného cyklu

-9CZ 291482 B6 odpovídajícího optimální účinnosti, změnou délky zdvihu pístů a tudíž změnou času ktomu potřebného. Provedení kontinuálního monitorování rychlosti a synchronizace pístu rovněž znamená, že zdvih pístu může být regulován mikrometricky tak, že může být udržován konstantní a dokonale synchronizován. Je zřejmé, že ktomu, aby se dosáhlo posledně uvedeného výsledku stačí, aby poloha pružin připojených k polovině těchto pístů byla nastavitelná, což znamená, že tyto písty jsou integrálně spojeny pomocí spojovacího prvku 8 zobrazeného na obr. 3.

Nastavovací jednotka 17 může být ve formě, např. krokového motoru nebo stejnosměrného elektrického motoru spojeného systémem šroubů a vnitřních závitů fungujícím jako lineární opakovač pro komponentu 18 celistvou s pružinou 7.

Rovněž v rámci vynálezu byl poskytnut prostředek pro zabránění krátkodobého výpadku synchronizace dvou protilehlých pístů. Ve skutečnosti spojením mechanických částí generátoru, které slouží jako nosné a ustavovací zařízení pro pružiny 7 (na obr. 2 jsou tyto části tvořeny krytem 11, které tvoří pouzdro válců 5 a 5'), se zemí nebo s komponentami nesoucí generátor spojovacím prvkem 12 o vymezené pružnosti ve směru pohybu pístů 6, 6', nedochází k žádnému elastickému výtěžku ve spojce v případě, že jsou písty dokonale synchronizovány, poněvadž síly působící v opačných směrech na dvě pružiny 7 spojené se dvěma protilehlými písty jsou si vzájemně stále rovny. Avšak v případě, že jeden píst předbíhá před druhým, potom se nejprve působí silou na poměrnou pružinu a potom na pružný spojovací 12, která odebere část kinetické energie akumulované pružinou, a potom se vrací poměrný píst pod vlivem elastické hystereze následkem stlačení pružiny.

To vyžaduje zpomalení navrácení pístu a jeho postupnou synchronizaci s druhým (zpožděným) protilehlým pístem. Zřetelně tato korekce synchronizace má za následek ztráty, ačkoliv nepatrné, v celkové energetické bilanci, a tudíž je vhodné použít elektronický postup, jak bylo výše uvedeno, který modifikuje vratnou pozici pružiny za účelem zajištění dokonalé počáteční synchronizace.

Obr. Ί zobrazuje diagram celkové účinnosti spalovacího motoru, generátoru podle vynálezu a obr. 8 zobrazuje jeho specifickou spotřebu. Předpokládá se, že zde není zapotřebí žádného detailního komentáře, neboť uvedené skutečnosti jsou pro odborníka snadno interpretovatelné. Celková účinnost dosahuje ve skutečnosti hodnoty rovné asi dvojnásobku hodnoty účinnosti konvenčních motorů, a to při jakékoliv rychlosti.

Všechny komponenty, jejich provedení a pozice, a regulační systém může být modifikován a zlepšen v souladu know-how odborníku v daném oboru.

Např. kromě toho, že magnety 2 na obr. 1 a 2 jsou neseny vidlicí 4', mohou být upevněny k válcovému nosiči, jehož osa je shodná s osou pístu, s kterým je válcový nosič celistvý, přičemž tento nosič obsahuje části uspořádané stejným způsobem jako části již popsané pro Jarretův motor. Tento případ není zobrazen na obrázcích.

Do rozsahu ochrany poskytnuté touto patentovou přihláškou spadají různé konstrukční modifikace, přičemž tyto modifikace jsou rovněž kryty znaky uvedenými v patentových nárocích. Vzhledem k tomu je třeba považovat konstrukční provedení popsané v předcházející části popisu a zobrazené na připojených obrázcích pouze za příkladné, ilustrativní a nemající žádný omezující charakter.

Claims (12)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zařízení (1) pro generovaní elektrické energie, které zahrnuje dvoudobý spalovací motor, který je spojen s elektromagnetickým obvodem zahrnujícím pevné vinutí (2) sdružené s alespoň jedním permanentním magnetem (3) celistvě spojeným s alespoň jedním pístem (4) umístěným ve válci (5) spojeném s předzapalovací komorou (10) mající základnu (10') otevřenou směrem k válci (5), přičemž předzapalovací komora (10) je opatřena jednotkou pro dávkované vstřikování paliva, přičemž zařízení (1) pro generování elektrické energie je dále opatřeno jednotkou pro navrácení mechanické energie umístěnou na konci dráhy pístu (4) při jeho expanzním zdvihu, vyznačené tím, že předzapalovací komora (10) má tvar kuželu se vstřikovací tryskou (14) uspořádanou na jeho vrcholu a permanentní magnet (3) má tvar hranolu s předem stanovenou tloušťkou, šířkou a vzduchovou mezerou vzhledem k pevnému vinutí (2).

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačené tím, že kvývodům pevného vinutí (2) je připojena ohmická zátěž s konstantní hodnotou.

3. Zařízení podle nároku 1, vyznačené tím, že předzapalovací komora (110) má tvar komolého kuželu, jehož menší uzavřená základna (113) je spojena s válcem (9) jedním nebo více kanálky (112).

4. Zařízení podle nároku 3, vyznačené tím, že předzapalovací komora (110) je opatřena první vstřikovací tryskou (114), která je uspořádána axiálně na uzavřené základně (113) předzapalovací komory (110), a druhou vstřikovací tryskou (111) uspořádanou kolmo kose předzapalovac í komory (110).

5. Zařízení podle nároku 3, vyznačené tím, že zahrnuje jednu nebo více dvojic pístů (6, 6') uspořádaných protilehle jeden k druhému ve válci (9).

6. Zařízení podle nároku 5, vyznačené tím, že zahrnuje alespoň dvě dvojice protilehlých pístů (6, 6'), přičemž každý píst z jedné dvojice protilehlých pístů (6, 6') je celistvě spojen s každým příslušným pístem zjiné dvojice protilehlých pístů (6, 6') spojovacími prvky (8, 8').

7. Zařízení podle nároku 6, vyznačené tím, že každá dvojice protilehlých pístů (6, 6') má společnou předzapalovací komoru (10) s podélnou osou (h) kolmou k ose (k) pístů z dvojice protilehlých pístů (6, 6').

8. Zařízení podle nároku 5, vyznačené tím, že zahrnuje dvě předzapalovací komory (110) sdružené s každou dvojicí protilehlých pístů (6, 6') a uspořádané protilehle jedna k druhé.

9 výkresů

9. Zařízení podle nároku 6, vyznačené tím, že zahrnuje nastavovací jednotku (17) uspořádanou podél osy (k) pístů z dvojice protilehlých pístů (6, 6') pro nastavení polohy jednotky pro navrácení mechanické energie.

10. Zařízení podle nároku 9, vyznačené tím, že jednotka pro navrácení mechanické energie spojená s krytem (11) válce (9) je spojena ze zemí nebo s prvkem nesoucím zařízení (1) pro generování elektrické energie spojovacími prvky (12) s předem nastavenou pružností ve směru pohybu pístů (6,6').

11. Zařízení podle nároku 1, vyznačené tím, že předzapalovací komora (10) je spojena s pomocným válcem (20), který je opatřen pomocným pístem (19) celistvě spojeným s pístem (4) válce (5), přičemž pomocný válec (20) je dále opatřen prvním jednocestným ventilem (21) pro 5 nasávání vzduchu dovnitř pomocného válce (20) při kompresním zdvihu pístu (4) a předzapalovací komora (10) je opatřena druhým jednocestným ventilem (22) pro nasávání vzduchu do předzapalovací komory (10) při expanzním zdvihu pístu (4) k vypláchnutí válce (5, 9).

-11 CZ 291482 B6

-12 CZ 291482 B6