CZ29658U1 - Výfukový rezonátor dvoudobého motoru pro motorový plovák - Google Patents

Description

Výfukové systémy dvoudobých spalovacích motorů musí splňovat požadavky na příznivý průběh kroutícího momentu, nízkou hladinu hluku a snížení výfukových emisí. Při použití v motorových plovácích jsou navíc na výfukové systémy kladeny požadavky na nízkou hmotnost, kompaktnost a nižší provozní teplotu, než je tomu u standardních výfukových systémů tohoto typu. Rozhodujícím prvkem je tedy jak použití správného materiálu na výrobu výfukového systému, tak i, a to především, tvarové provedení samotného rezonátoru, jehož tvar přímo ovlivňuje jak průběh tlaku ve výfukovém otvoru válce motoru a tím i výkon motoru správným plněním, tak i emise dvoudobého motoru a tím dopad na životní prostředí.

Ve výfukovém rezonátoru dochází jak k hmotnostním pulzacím systému válec - výfukový rezonátor, tak i k odrazu tlakové vlny, která se šíří z výfukového otvoru po jeho otevření. Maximální účinnosti je dosaženo tehdy, pokud je délka period obou dějů shodná nebo velmi blízká. Rozhodující vliv na výkonové parametry motoru má tedy délka periody a průběh odražené tlakové vlny ve výfukovém rezonátoru. Ideální případ průběhu tlaku nastává ve výfukovém otvoru při rezonančních otáčkách, tedy v okamžiku největšího kroutícího momentu motoru. Při konstrukci výfukového rezonátoru by se měl jeho tvar volit tak, aby odrazem tlakové vlny došlo k co nejlepšímu přiblížení průběhu tlaku.

Nezbytná rezonanční délka výfukového rezonátoru závisí na rezonančních otáčkách motoru. Například pro rezonanční otáčky motoru 7700 ot./min bude rezonanční délka výfukového rezonátoru rovna délce 810 mm. Pro využití výfukového rezonátoru v motorovém plováku, kde jsou omezené prostorové podmínky, je umístění tohoto typu plováku velmi obtížné a nepraktické.

Tato překážka se obchází pomocí zalomení výfukového rezonátoru tak, aby se co nejméně narušil průběh tlaku výfukových plynů. Vzdálenost zalomení od výfukového otvoru motoru se opět volí podle požadavku stejných period. Účinnost takového zalomeného výfukového rezonátoru je sice vždy o něco menší než u ideálního nezalomeného výfukového rezonátoru, avšak při správném tvarování se blíží účinnosti nezalomeného výfukového rezonátoru.

Konstrukce zalomeného výfukového rezonátoru však vyžaduje větší pevnost z důvodu větší zátěže na všechny konstrukční prvky výfukového rezonátoru. Stěny konstrukce musí mít větší tloušťku, stejně tak spojovací prvky, kterých je zde mnohem více. Všechny tyto podstatné podmínky ale značně zvyšují hmotnost výfukového rezonátoru a tedy i celkovou hmotnost plováku na úkor přenositelnosti plováku, provozní nosnosti plováku, maximální rychlosti plováku a celkového komfortu a zážitku při jeho používání.

Složitější konstrukce navíc vyžaduje náročnější technologii výroby a použití dražších speciálně tvarovaných dílů. Nízká cena je tedy dalším požadavkem kladeným na výrobu výfukových systémů.

Přihláška US 3462947 (A) ukazuje jedenkrát zalomený výfukový systém. Systém zahrnuje komoru válcovitého tvaru sestávající z jedné funkční odrazné plochy v zadní části válce. Výfuková trubka v komoře ústí do expanzního prostoru a přivádí spaliny k první odrazné ploše. Po odražení pokračují spaliny do kompresního prostoru postupně se zužujícího tak, že ve svém nejužším průměru kompresní prostor obepíná expanzní prostor kuželovitého tvaru, přičemž je konec kompresního prostoru konstantního průměru. Dále spaliny přecházejí přes soustavu dvou přepážek k výstupnímu otvoru ven z výfukového systému. Tento výfukový systém má sice kratší délku konstrukce oproti běžným výfukovým systémům, avšak ne natolik, aby se dal použít v motorových plovácích. Kvůli robustnější konstrukci a větší hmotnosti s sebou přináší všechny výše zmíněné nevýhody včetně chybějícího komfortu a zážitku, o který u používání plováku jde.

-1 CZ 29658 UI

Americký patent US 4348862 popisuje několik provedení výfukového systému dvoudobého motoru. Jedno provedení znázorňuje primární prostor s divergentní a následně konvergentní částí (ve směru toku spalin), která je pneumaticky spojená se sekundárním expanzním prostorem. Spaliny se odráží od zvlněné odrazné plochy na začátku sekundárního expanzního prostoru, který má zpočátku tvar trubky o konstantním průměru s následně divergentní částí. Spaliny z tohoto prostoru po odražení od druhé odrazné plochy ústí do prostoru ohraničeného vnějším pláštěm válcovitého tvaru. Tento prostor je dále zúžen do kruhovitého otvoru vedoucího do integrované tlumicí komory redukující hluk a dále výstupním otvorem ven z výfukového systému. V popsaném systému vznikají dvě přetlakové vlny vracející se zpátky do válce motoru - první v konvergentní části primárního prostoru a druhá po odrazu spalin od kruhovitého otvoru zúžené části vnějšího pláště. Ačkoliv je uvedeno, že toto provedení výfukového systému umožňuje značné zkrácení skutečné délky vzhledem k efektivní délce systému, zde popsaný systém neposkytuje dostatečnou kompaktnost nutnou pro integraci do plováku. Navíc zde vznikají až dvě přetlakové vlny namísto jedné.

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky řeší návrh výfukového rezonátoru dvoudobého motoru podle tohoto technického řešení spočívající vtom, že se skládá z prvního víka výfukového rezonátoru opatřeného vstupním otvorem, kdy na vstupní otvor svým prvním koncem navazuje stabilizační trubka, jejíž druhý konec směřuje k primární odrazné ploše, na kterou svým prvním koncem navazuje expanzní kužel obklopující stabilizační trubku a tím vymezující první expanzní prostor, přičemž druhý konec expanzního kužele směřuje k prvnímu víku z vnitřní strany opatřenému sekundární odraznou plochou, na které svým prvním koncem navazuje vnější plášť výfukového rezonátoru obklopující expanzní kužel, přičemž druhý konec pláště výfukového rezonátoru navazuje na druhé víko s výstupním otvorem, přičemž druhý expanzní prostor vymezený expanzním kuželem a pláštěm je na rozhraní mezi pláštěm a druhým víkem zakončen přepážkou s alespoň jedním otvorem a kde první víko je opatřeno alespoň jedním vstupem pro chladicí kapalinu.

Podstata tohoto technického řešení spočívá v konstrukci výfukového rezonátoru, který využívá funkčních odrazných ploch k reverzaci směru toku výfukových plynů a tím tedy ke kompaktnosti celého výfukového systému při zachování svých rezonančních vlastností. Rezonátor je vytvořen z lehkých kovů a/nebo kompozitních materiálů k redukci celkové hmotnosti výfukového systému, a proto využívá účinné chlazení umožňující použití těchto materiálů.

První z částí, kterou po průchodu vstupním otvorem prochází tok spalin, je stabilizační trubka. Tato trubka má s výhodou po celé své délce stejný průměr a slouží ke stabilizaci přetlakové vlny vycházející z motoru. Tato stabilizace je nezbytná pro lepší průběh tlakových vln ještě před prvním dopadem na primární odraznou plochu a před příchodem zpět k válci motoru.

Po průchodu stabilizační trubkou dopadá tok spalin na primární odrazné plochy sloužící k reverzaci toku spalin. Tyto odrazné plochy mají tvar zaručující minimální ztráty energie při odrazu toku spalin.

Další částí, kterou tok spalin prochází, je první expanzní prostor mezi stabilizační trubkou a rozšiřujícím se expanzním kuželem. Expanzní kužel zde slouží v kombinaci se stabilizační trubkou k rozšiřování prostoru při průchodu toku spalin, ke zvětšení jejich objemu a tedy ke vzniku podtlakové vlny. Tato podtlaková vlna, která má tlak nižší, než je vnější atmosférický tlak, se šíří zpět k motoru a pomáhá v nasávání více paliva do válce motoru.

Po průchodu prvním expanzním prostorem dopadá tok spalin na sekundární odrazné plochy sloužící k druhé reverzaci toku spalin. Tyto odrazné plochy mají opět tvar zaručující minimální ztráty energie při odrazu toku spalin.

Po odrazu od sekundárních odrazných ploch prochází tok spalin druhým expanzním prostorem tvořeným vnější částí expanzního kužele a stěnou výfukového rezonátoru. Kombinace těchto dvou součástí opět zaručuje rozpínám toku výfukových plynů a tím snižování jeho tlaku.

-2CZ 29658 UI

Na konci druhého expanzního prostoru je umístěna přepážka s alespoň jedním otvorem. Přepážka zde slouží ke vzniku přetlakové vlny, která se po odrazu vrací zpět do motoru a pomáhá vtlačit uniklé palivo zpět do válce motoru. To zajišťuje menší spotřebu paliva, nižší emise a vyšší výkon motoru. Otvory v přepážce pak slouží k průchodu spalin skrze přepážku do prostoru za přepážkou, odkud pak proudí skrze spojovací trubku do integrovaného tlumiče hluku.

V sekundární odrazné ploše je alespoň jeden chladicí otvor s tryskou, sloužící k přívodu vody do prvního expanzního prostoru. Tento přívod vody způsobuje velice efektivní chlazení spalin, jelikož je zde využita celá tepelná kapacita vody, protože je voda při styku se spalinami převedena na páru, která poté proudí se spalinami dalšími částmi výfukového systému a následně pryč z výfukového systému. Navíc je voda přiváděna do místa, ve kterém značně zchladí sekundární odraznou plochu, primární odraznou plochu, ale především i stabilizační trubku, která podléhá styku se spalinami o nejvyšší teplotě vycházejícími přímo z motoru. Vstřikování vody přímo do spalin navíc snižuje množství hluku vycházejícího z výfukového rezonátoru i z celého výfukového systému. Tento systém chlazení je tedy mnohem efektivnější, než například běžné chlazení pláště výfukového rezonátoru, kde se ani zdaleka nevyužije celá tepelná kapacita vody. Navíc při ochlazování pláště není možné efektivně chladit vnitřní, nejteplejší, části výfukového rezonátoru.

Při použití takto efektivního chlazení se značně snižuje maximální teplota vzniklá uvnitř výfukového rezonátoru. To umožňuje použití lehkých kovů a/nebo kompozitních materiálů, které vede k výraznému snížení hmotnosti celého výfukového systému a celého plováku.

Výfukový rezonátor dle tohoto technického řešení ve výhodném provedení navíc obsahuje pouze jeden expanzní kužel (vnější plášť a stabilizační trubka mají válcový tvar), jehož výroba je nejdražší ze všech částí celého výfukového rezonátoru. Konvenční výfukový rezonátor pro dvoudobý motor obsahuje dva tyto expanzní kužely. Výroba navrženého výfukového rezonátoru je tedy levnější, než v případě konvenčního výfukového rezonátoru.

Předložené technické řešení tedy řeší zalomení rezonátoru výfukového systému tak, aby byla zachována jeho hlavní funkce rezonátoru, a zároveň aby bylo možné plovák použít takovým způsobem, k jakému je určen a kde tento způsob používám byl doposud značně omezen. Způsobem používání se myslí jeho dobrá přenositelnost, vysoká provozní nosnost, dostatečná maximální rychlost a velký komfort a dobrý zážitek při jeho používání. Tento způsob používání je díky tomuto technickému řešení možný.

Objasnění výkresů

Přiložené obrázky znázorňují:

Obr. 1 - Řez výfukovým rezonátorem včetně šipek znázorňující tok spalin a vyznačení vstupních a výstupních otvorů.

Obr. 2a - Jednotlivé rozložené části kompaktního výfukového rezonátoru.

Obr. 2b - Standardní výfukový rezonátor.

Obr. 3a - Vnější plášť.

Obr. 3b - Stabilizační trubka.

Obr. 3c - Expanzní kužel.

Obr. 3d - Řez kompaktním rezonátorem.

Obr. 4a - Detailní pohled na první víko se sekundární odrazovou plochou.

Obr. 4b - Detailní pohled na druhé víko s primární odrazovou plochou.

Příklady uskutečnění technického řešení

Na Obr. 1 je zobrazen řez výfukovým rezonátorem dle tohoto technického řešení. Vstupní otvor 1 je vytvořen v prvním víku výfukového rezonátoru, kdy na tento vstupní otvor svým prvním koncem navazuje stabilizační trubka 2. Tato stabilizační trubka 2 má tvar pláště podlouhlého válce

-3CZ 29658 UI a její druhý konec směřuje k primární odrazné ploše 3 uspořádané v blízkosti druhého víka výfukového rezonátoru. Na vnější okraje primární odrazné plochy 3 svým prvním koncem navazuje směrem zpět k prvnímu víku rozšiřující se expanzní kužel 4 obklopující stabilizační trubku 2 a tím vymezující první expanzní prostor. Druhý konec expanzního kužele 4 směřuje zpět k vnějšímu okraji prvního víka z vnitřní strany opatřeného sekundární odraznou plochou 5, na které svým prvním koncem navazuje vnější válcový plášť 6 výfukového rezonátoru obklopující expanzní kužel 4. Druhý konec pláště výfukového rezonátoru navazuje na druhé víko výfukového rezonátoru, které je opatřeno výstupním otvorem 7, přičemž druhý expanzní prostor vymezený expanzním kuželem 4 a pláštěm 6 je na rozhraní mezi pláštěm 6 a druhým víkem 7 zakončen přepážkou s alespoň jedním otvorem. První víko výfukového rezonátoru je dále opatřeno vstupem 8 pro chladicí kapalinu. Směr proudění spalin výfukovým rezonátorem je na obrázku naznačen pomocí šipek.

Jednotlivé části výfukového rezonátoru jsou vyrobeny z odlehčených a/nebo kompozitních materiálů. To je umožněno intenzivním chlazením pomocí chladicí kapaliny, typicky vody, vstřikované do proudu spalin a vede k výraznému snížení hmotnosti celého výfukového systému a celého plováku.

Funkce výfukového rezonátoru je následující. Po průchodu vstupním otvorem 1 prochází tok spalin stabilizační trubkou 2, která slouží ke stabilizaci přetlakové vlny vycházející z motoru. Po průchodu stabilizační trubkou 2 dopadá tok spalin na primární odrazné plochy 3 sloužící k reverzaci toku spalin. Tyto primární odrazné plochy 3 zaručují minimální ztráty energie při odrazu toku spalin, aby příliš nebránily plynulému proudění plynů. Dále spaliny prochází prvním expanzním prostorem vymezeným stabilizační trubkou 2 a rozšiřujícím se expanzním kuželem 4. Expanzní kužel 4 zde slouží k rozšiřování prostoru při průchodu toku spalin, ke zvětšení jejich objemu a tedy ke vzniku podtlakové vlny, která pomáhá v nasávání paliva do válce motoru. Do prvního expanzního prostoru ústí chladicí otvor s tryskou 8, který přivádí chladicí vodu pro zchlazení sekundární odrazné plochy 5, primární odrazné plochy 3 a především stabilizační trubku 2, která podléhá styku se spalinami o nej vyšší teplotě vycházejícími přímo z motoru. Vstřikování vody přímo do spalin navíc snižuje množství hluku vycházejícího z výfukového rezonátoru i z celého výfukového systému. Po průchodu prvním expanzním prostorem dopadá tok spalin na sekundární odrazné plochy 5 sloužící k druhé reverzaci toku spalin. Tyto odrazné plochy 5 opět zaručují minimální ztráty energie při odrazu toku spalin. Po odrazu od sekundárních odrazných ploch 5 prochází tok spalin druhým expanzním prostorem vymezeným vnější částí expanzního kužele 4 a stěnou výfukového rezonátoru. Zde opět dochází k rozpínání toku výfukových plynů a tím snižování jeho tlaku. Na konci druhého expanzního prostoru je umístěna přepážka 9 s alespoň jedním otvorem 10, která slouží ke vzniku přetlakové vlny, která se po odrazu vrací zpět do motoru a pomáhá vtlačit uniklé palivo zpět do válce motoru. Spaliny procházející skrze přepážku 9 pak proudí do prostoru 11 za přepážkou 9, odkud pak pokračují skrze výstupní otvor 7 ve druhém víku ven z výfukového rezonátoru. Za výfukovým rezonátorem pak může být napojen pomocí spojovací trubky např. integrovaný tlumič hluku apod.

Na obr. 2a a 2b je schematicky znázorněno srovnání jednotlivých částí kompaktního a standardního výfukového rezonátoru. Výfukový rezonátor dle předloženého technického řešení je znázorněn v rozloženém stavu na obr. 2a. Na vstupní otvor 1 v prvním víku výfukového rezonátoru navazuje svým prvním koncem stabilizační trubka 2. Spaliny následně expandují v expanzním prostoru vymezeném expanzním kuželem 4. V případě výfukového rezonátoru dle předloženého technického řešení pokračuje expanze ještě v druhém expanzním prostoru vymezeném vnějším válcovým pláštěm 6 obklopujícím expanzní kužel 4. Na konci druhého expanzního prostoru je umístěna přepážka 9 s alespoň jedním otvorem 10 zajišťující vznik zpětné přetlakové vlny. U standardního výfukového rezonátoru podle obr. 2b nejprve prochází tok spalin stabilizační trubkou 2, poté vzniká přetlaková vlna v odrazovém kuželovém členu 3, který navazuje na expanzní kužel 4. Spaliny pak unikají z výfukového rezonátoru výstupním otvorem 7. První víko výfukového rezonátoru dle předloženého technického řešení je dále opatřeno vstupem 8 pro chladicí kapalinu.

-4CZ 29658 UI

Tři základní konstrukční části kompaktního rezonátoru jsou zobrazeny na obr. 3a až 3c. Obr. 3a zobrazuje vnější válcový plášť 6, obr. 3b zobrazuje stabilizační trubku 2 a obr. 3c zobrazuje expanzní kužel 4, kde jsou na obr. 3d všechny tyto tři části zobrazeny ve složeném stavu. Na vstupní části kompaktního výfukového rezonátoru je umístěna tryska 8 s chladicí kapalinou.

Na Obr. 4a je detailně zobrazena sekundární odrazná plocha 5 a na obr. 4b primární odrazná plocha 3. Na konci druhého expanzního prostoru je umístěna přepážka 9 s alespoň jedním otvorem 10, kterým spaliny proudí do prostoru za přepážkou 11 a následně vystupují z výfukového rezonátoru výstupním otvorem 7 ve druhém víku a mohou pokračovat např. do tlumiče hluku apod. V sekundární odrazné ploše 5 je alespoň jeden chladicí otvor s tryskou 8, který mimo jiné značně zchladí i sekundární odraznou plochu 5, primární odraznou plochu 3 a stabilizační trubku 2.

Průmyslová využitelnost

Výfukový rezonátor dvoudobého motoru dle tohoto technického řešení má využití zejména v motorových plovácích a podobných aplikacích, kde jsou kladeny požadavky na nízkou celkovou hmotnost, tedy na přenositelnost, vysokou provozní nosnost, dostatečnou maximální rychlost a tedy celkový vysoký komfort a dobrý zážitek při jeho používání.

Claims (4)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Výfukový rezonátor dvoudobého motoru, vyznačující se tím, že se skládá z prvního víka výfukového rezonátoru opatřeného vstupním otvorem (1), kdy na vstupní otvor (1) svým prvním koncem navazuje stabilizační trubka (2), jejíž druhý konec směřuje k primární odrazné ploše (3), na kterou svým prvním koncem navazuje expanzní kužel (4) obklopující stabilizační trubku (2) a tím vymezující první expanzní prostor, přičemž druhý konec expanzního kužele (4) směřuje k prvnímu víku z vnitřní strany opatřenému sekundární odraznou plochou (5), na které svým prvním koncem navazuje vnější plášť (6) výfukového rezonátoru obklopující expanzní kužel (4), přičemž druhý konec pláště (6) výfukového rezonátoru navazuje na druhé víko s výstupním otvorem (7), přičemž druhý expanzní prostor vymezený expanzním kuželem (4) a pláštěm (6) je na rozhraní mezi pláštěm (6) a druhým víkem zakončen přepážkou (9) s alespoň jedním otvorem (10) a kde první víko je opatřeno alespoň jedním vstupem (8) pro chladicí kapalinu.
2. 2. Výfukový rezonátor dvoudobého motoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že je vytvořen z lehkých kovů a/nebo kompozitních materiálů.
3. 3. Výfukový rezonátor dvoudobého motoru podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že stabilizační trubka (2) má po celé své délce stejný průměr.
4. 4. Výfukový rezonátor dvoudobého motoru podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že stěna výfukového rezonátoru má válcový tvar.