CZ299256B6 - Termodynamicky úcinné zarízení k pohonu motorových vozidel a zpusob zvýšení termodynamické úcinnosti pístových spalovacích motoru - Google Patents

Abstract

Predmetem vynálezu je termodynamicky úcinné zarízení k pohonu motorových vozidel, obsahující nádrž (10) se zkapalneným vzduchem, kyslíkem nebo dusíkem, která je potrubím (15) propojena se vstrikovacím zarízením (55, 330, 430, 530) na hlave válce objemového nebo spalovacího pístového motoru, obsahujícího alespon výfukový ventil (56, 320, 420) a poprípade i palivovou vstrikovací trysku (340) a zapalovací svícku (325), nebo sací ventil (460) a palivovou vstrikovací trysku (440). Podstata spocívá vtom, že mezi nádrží (10), která je tepelne izolovaná, a vstrikovacím zarízením (55, 330, 430, 530) je usporádán výmeník tepla (40) k premene kapalné fáze plynu na plynnou fázi. Dalším predmetem vynálezu je zpusob zvýšení termodynamické úcinnosti pístových spalovacích motoru, využívající uvedené termodynamicky úcinné zarízení, jehož podstata spocívá v tom, že zkapalnený vzduch, kyslík nebo dusík oteplote blízké -200 .degree.C se ve výmeníku tepla (40) prevede do plynné fáze o tlaku plynu 10 až 100 MPa, který je vstrikovacím zarízením (330) vpušten do válce (310) nad píst (315) v horní úvrati pri soucasném vstriku paliva palivovou vstrikovacítryskou (340) a po následném zapálení vzniklé palivové smesi zapalovací svíckou (325) palivová smesexpanduje a tlací píst (315) do spodní úvrati, nacež se otevre výfukový ventil (320), skrze který jsou spaliny odvedeny z válce (310) a pri dosažení horní úvrate je výfukový ventil (320) uzavren pri soucasném vpuštení tlakového plynu vstrikovacím zarízením (330) a paliva vstrikovací tryskou (340) do válce (310).

Description

Předmětem vynálezu je termodynamicky účinné zařízení k pohonu motorových vozidel, obsahující nádrž (10) se zkapalněným vzduchem, kyslíkem nebo dusíkem, která je potrubím (15) propojena se vstřikovacím zařízením (55, 330, 430, 530) na hlavě válce objemového nebo spalovacího pístového motoru, obsahujícího alespoň výfukový ventil (56, 320, 420) a popřípadě i palivovou vstřikovací trysku (340) a zapalovací svíčku (325), nebo sací ventil (460) a palivovou vstřikovací trysku (440). Podstata spočívá v tom, že mezi nádrží (10), která je tepelně izolovaná, a vstřikovacím zařízením (55, 330,430, 530) je uspořádán výměník tepla (40) k přeměně kapalné fáze plynu na plynnou fázi. Dalším předmětem vynálezu je způsob zvýšení termodynamické účinnosti pístových spalovacích motorů, využívající uvedené termodynamicky účinné zařízení, jehož podstata spočívá v tom, že zkapalněný vzduch, kyslík nebo dusík o teplotě blízké -200 °C se ve výměníku tepla (40) převede do plynné fáze o tlaku plynu 10 až 100 MPa, který je vstřikovacím zařízením (330) vpuštěn do válce (310) nad píst (315) v horní úvrati při současném vstřiku paliva palivovou vstřikovací tryskou (340) a po následném zapálení vzniklé palivové směsi zapalovací svíčkou (325) palivová směs expanduje a tlačí píst (315) do spodní úvrati, načež se otevře výfukový ventil (320), skrze který jsou spaliny odvedeny z válce (310) a při dosažení horní úvratě je výfukový ventil (320) uzavřen při současném vpuštění tlakového plynu vstřikovacím zařízením (330) a paliva vstřikovací tryskou (340) do válce (310).

Termodynamicky účinné zařízení k pohonu motorových vozidel a způsob zvýšení termodynamické účinnosti pístových spalovacích motorů

Oblast techniky

Vynález se týká termodynamicky účinného zařízení k alternativnímu nebo hybridnímu pohonu motorových vozidel a způsobu zvýšení termodynamické účinnosti pístových spalovacích motorů.

Dosavadní stav techniky

V současné době je energie používaná k pohonu vozidel získávána následně. V převážné většině se používají uhlovodíková paliva založená na produktech zpracování ropy. Při použití těchto paliv se spalováním ve spalovacích motorech uvolňuje tzv. chemická energie, která je produktem oxidace uhlovodíků na kysličník uhličitý a vodu. Při spalování ovšem vzniká řada nežádoucích produktů - oxidy dusíku, oxid uhelnatý a nespálené uhlovodíky či komplexní organické sloučeniny vzniklé při procesu spalování. Termodynamická účinnost spalovacích motorů není vysoká motory potřebují chlazení pro odvod odpadního tepla do okolí. Odpadní teplo představuje energii nevyužitou k pohonu vozidla.

Uhlovodíková paliva se získávají převážně z fosilních zdrojů, mohou se však získávat i z obnovitelných zdrojů. Takovým druhem paliva je například ethanol nebo zpracovaný rostlinný olej.

Rovněž se objevují pokusy o akumulaci energie do fyzikálních systémů. Jedna z velmi zajímavých aplikací tohoto typu je akumulace energie do pneumatického systému vysoce stlačeného vzduchu. Vozidlo obsahuje například 3001itrové nádoby se vzduchem stlačeným na 30 MPa. Vysoce stlačený vzduch však nemůže akumulovat takové množství energie, aby poháněl vozidlo běžné váhy na běžné vzdálenosti. Rovněž v návaznosti na druhý termodynamický zákon - je teoretická účinnost takového pohonu omezená. Termodynamická účinnost tepelného stroje je dána výrazem u = (T2-T1)/T2 kde T2 je teplota teplejší lázně a TI je teplota chladnější lázně ve smyslu definice Cannotova cyklu. Stlačený vzduch je uchováván v tomto systému za okolní teploty, a při expanzi koná objemovou práci a ochlazuje se. Rozdíl teplot T2 - TI tudíž za těchto podmínek nemůže být vysoký. Vysoký rozdíl teplot je však základem dobré účinnosti tepelného stroje.

Jsou známy systémy, které využívají akumulaci energie do zkapalněného vzduchu nebo dusíku a její zpětné uvolnění v pneumatickém systému. Takové systémy nevyžívají spalovací proces. Příklad takového systému je popsán v patentu CN 1587694.

Některé další systémy již využívají interního spalovacího procesu, zde se však provádí vstřik kapalného vzduchu do interního spalovacího prostoru. Příkladem takového systému je patent GB252208 nebo JP59115428 nebo DE10117825. Ve zmíněném patentu GB252208 dochází ke vstřiku kapalného vzduchu přes kuličkový ventil do motoru s protiběžnými písty. Ve zmíněném patentu JP591 15428 se provádí rovněž vstřik kapalného vzduchu do hlavy válce. Ve zmíněném patentu DE1011782 se provádí vstřik kapalný kyslík, kapalný vodík a voda. K objemové práci zde dochází hořením směsi kyslíku, vodíku a odpařením přítomné vody.

Nevýhodou těchto systémů jsou problémy se zapálením směsi vzduchu a paliva, následkem extrémně nízkých teplot spojených s existencí vzduchu v kapalné fázi. Kritický bod složek vzduchu: dusíku je -146,94°C, kritický bod kyslíku -118,56°C. Nad teplotou vyšší než je kritický bod j iž nemohou tyto látky existovat v kapalném stavu.

- 1 CZ 299256 B6

V kontrastu s tímto stavem techniky je ve vynálezu, tak, jak je popsán dále, důsledně používán pro vstřik do válce stlačený vzduch v plynném stavu, který se ze zkapalněného vzduchu získává předehříváním za pomoci výměny tepla s okolím. Plnění motoru se navíc provádí tak, aby motor pracoval ve dvou taktech expanze a výfuku s co nejdokonalejším spalováním.

Další skupinou motorů s vnitřním spalováním jsou motory, které používají vzduch nebo kyslík v plynném stavu, který je získáván odpařováním z kapalného zdroje. Patent GB289891A používá jako uhlovodíkové palivo kapalný methan nebo ethan. Společně s palivem může být přiváděn do válce i kyslík, který může být získáván vypařováním z kapalného zdroje. Patent GB553179 používá pro podporu spalování ve spalovacím motoru kyslík, který se získává odpařováním z kapalného zdroje. Prakticky stejně nebo velmi podobně pracují i motory popsané v patentu JP 57044762 a UA 62197.

Ani ve výše zmíněných případech se však neprovádí plnění motoru tak, aby motor pracoval pouze ve dvou taktech expanze a výfuku.

Výše popsaná uspořádání sice dosahují vyšších účinností ve srovnání s běžně používanými pístovými motory s vnitřním spalováním, a s tím spojené nižší spotřeby paliva. Ale stále je zde možnost dalšího zvyšování účinnosti a snižování počtu válců potřebných k dosažení potřebného výkonu.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody v podstatě odstraňuje termodynamicky účinné zařízení k pohonu motorových vozidel podle předvýznaku 1, patentového nároku, jehož podstata spočívá v tom, že mezi nádrž, která je nízkotlaká a tepelně izolovaná, a vstřikovacím zařízením je uspořádán výměník tepla k přeměně kapalné fáze plynu na plynou fázi. Kapalný plyn je reprezentován kapalným vzduchem nebo jeho složkou - dusíkem nebo kyslíkem.

Tímto opatřením se dosáhne vyšší teploty oxidantu přiváděného do válce, takže se omezí potíže se zapálením směsi oxidantu a uhlovodíkového paliva ve válci. Ve výměníku tepla plyn získává teplo výměnou s okolím, a tím získává zpět energii, která do něho byla akumulována při zkapalnění. Tím zvyšuje termodynamickou účinnost motoru a snižuje spotřebu uhlovodíkového paliva.

Je výhodné, je-li mezi výměníkem tepla a vstřikovacím zařízením umístěn kapacitní člen ke stabilizaci tlaku plynné fáze plynu.

Kapacitní člen odstraní výkyvy tlaku pří nerovnoměrném odběru stlačeného vzduchu nebo jeho složky. Rovněž umožní pokrýt krátkodobě vyšší spotřebu tlakového vzduchu při krátkodobě vyšším výkonu motoru, který má za následek vyšší spotřebu oxidantu tlakového vzduchu.

Termodynamická účinnost pístových spalovacích motorů, využívajících zařízení podle vynálezu je zvýšena tím, že zkapalněný vzduch nebo kyslík nebo dusík o teplotě blízké 200 °C, se ve výměníku tepla převede do plynné fáze o tlaku plynu 10 až 100 MPa, který je vstřikovacím zařízením vpuštěn do válce nad píst v horní úvrati při současném vstřiku paliva palivovou vstřikovací tryskou a po následném zapálení vzniklé palivové směsi zapalovací svíčkou palivová směs expanduje a tlačí píst do spodní úvrati, načež se otevře výfukový ventil, skrze který jsou spaliny odvedeny z válce a při dosažení horní úvratě je výfukový ventil uzavřen při současném vpuštění tlakového plynu vstřikovacím zařízením a paliva vstřikovací tryskou do válce.

Tímto způsobem se dosáhne činnosti spalovacího motoru ve dvou taktech expanze a výfuku, přičemž takty sání a komprese jsou nahrazeny plněním vysoce stlačeného vzduchu. Výsledkem je poloviční počet válců, které jsou třeba k dosažení stejného výkonu, jaký by měl motor pracuj ίCZ 299256 B6 cí ve čtyřech taktech. Tím rovněž je snížena celková hmotnost motoru. Vysoký tlak plnění umožňuje do válce zapravit oxidant ve výrazném stechiometrickém přebytku oproti uhlovodíkovému palivu, tak by došlo k co možná nejdokonalejšímu prohoření uhlovodíkového paliva a snížení vzniklých emisí.

Termodynamická účinnost pístových spalovacích motorů, využívajících zařízení podle vynálezu je zvýšena tím, že zkapalněný vzduch nebo kyslík nebo dusík o teplotě blízké 200 °C se ve výměníku tepla převede do plynné fáze o tlaku plynu 10 až 100 MPa, který je vstřikovacím zařízením vpuštěn do válce nad píst při taktu expanze čtyřdobého pístového spalovacího motoru.

Expanzí dodatečně vstříknutého vzduchu nebo kyslíku nebo dusíku se dosáhne odebírání tepla spalinám. Tímto se opět dosáhne zvýšené účinnosti motoru.

Zvýšená účinnost motoru má ve všech výše uvedených případech za důsledek sníženou spotřebu uhlovodíkového paliva.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže vysvětlen pomocí výkresů, kde:

Obr. 1 - zobrazuje schematicky objemový motor napojený na akumulátor zkapalněného vzduchu,

Obr. 2 - zobrazuje alternativní umístění čerpadla zkapalněného vzduchu.

Obr. 3 - zobrazuje spalovací motor se vstřikem vysoce stlačeného vzduchu, pracujícího pouze v taktech expanze-výfuk,

Obr. 4 - zobrazuje spalovací motor s dodatečným vstřikem vysoce stlačeného vzduchu ve fázi expanze,

Obr. 6 - zobrazuje schematicky umístění jednotlivých částí zařízení ve vozidle.

Příklady provedení vynálezu

Cílem vynálezu je vytvoření konstrukce motoru s vnitřním spalováním a s vratným pohybem pístu, který bude ekologicky efektivní a bude mít nízkou spotřebu uhlovodíkového paliva. Toho je dosaženo kombinací tří faktorů, a) Část energie potřebné pro výkon motoru je nejprve akumulována do zkapalněného vzduchu nebo jeho složky a při použití uvedeném v popisu vynálezu je zpětně uvolněna pro konání mechanické práce, b) Protože zkapalněný vzduch je skladován při nízkých teplotách, je díky druhé větě termodynamické dosaženo výrazně vyšší tepelné účinnosti motoru ve srovnání s běžně používanými typy výše uvedených motorů, c) Válec motoru je plněn oxidantem (to jest plynným vzduchem nebo jeho složkou) za vysokého tlaku. Tím lze dosáhnout vyšších stechiometrických přebytků oxidantu a tím i dokonalejšího prohoření směsi paliva a oxidantu ve srovnání s běžně používanými typy výše uvedených motorů.

Zařízení podle vynálezu má dvě základní části, které mohou být využity nezávisle. Jejich souběžné využití je však velmi výhodné.

První část zařízení podle vynálezu spočívá v tom, že energie pro pohon motoru vozidla nebo energie pro zvýšení termodynamické účinnosti vozidla je akumulována do zkapalněného vzduchu nebo některé jeho složky, například dusíku nebo kyslíku. Dále je pojmem „vzduch“ označován vzduch jako směs plynů, nebo pouze jedna složka vzduchu: dusík nebo kyslík. Ostatní plyny obsažené ve vzduchu (zejména kysličník uhličitý nebo vzácné plyny) se v zařízení dle vynálezu neuvažují. Pojmem plyn se v zařízení podle vynálezu rovněž označuje vzduch nebo některá jeho

CZ 299256 Β6 složka. Pojmem oxidant se v zařízení podle vynálezu rovněž označuje vzduch nebo některá jeho složka. V některých případech může být jako oxidant označen i dusík.

Zkapalněný vzduch (obvykle zkapalněný dusík), se obvykle uchovává v tzv. Dewarových nádobách. Tyto nádoby jsou svou podstatou velmi dobře tepelně izolované nádoby, při kterých je skladovaná kapalina uchovávána při teplotě varu za okolního atmosférického tlaku. Odparem se kapalina ochlazuje, takže zůstává při teplotě svého bodu varu.

Pro kapalný dusík (N2) je bod varu za atmosférického tlaku (101,5 kPa) roven -208,15 °C. Teplota normálního bodu varu dusíku je -195,80 °C. Teplota varu kyslíku (02) je za tohoto tlaku je rovněž -208,15 °C. Teplota normální teploty varuje -182,97 °C.

Akumulace energie do zkapalněného vzduchu má řadu výhod. Při srovnání s akumulací energie do stlačeného vzduchu jsou výhody následující: výrazně nižší objem skladovaného kapalného vzduchu ve srovnání se vzduchem stlačeným na vysoký tlak a nízká teplota. Objem molámího jednotkového množství kapalného vzduchu je zhruba o řád nižší, než je objem jednotkového množství vzduchu stlačeného na 30 MPa. Nízký objem je dán velmi nízkou teplotou, při které je kapalný vzduch uchováván. Tato závislost vyplývá i ze stavové rovnice:

pV=R.T neboť chování kyslíku i dusíku je poměrné blízké chování ideálního plynu.

Další výhodou je to, že kapalný vzduch je uchováván za atmosférického tlaku, nehrozí tudíž jeho exploze. Vzduch ani jeho složky nejsou výbušné.

Největší výhoda použití zkapalněného vzduchuje však termodynamická. Jak již bylo zmíněno popisu dosavadního stavu techniky, termodynamická účinnost tepelného stroje je dána výrazem :

u = (T2-Tl)/T2 kde T2 je teplota teplejší lázně a TI je teplota chladnější lázně ve smyslu definice Cannotova tepelného cyklu. Teploty pro výpočet účinnosti se uvádí v Kelvinech. Za počáteční teploty 0 K (takzvaná absolutní teplota) by teoretická termodynamická účinnost tepelného stroje dosáhla hodnoty 1. Podle jedné z formulací druhé termodynamické věty účinnost Cannotova tepelného cyklu nezávisí na náplni. Z hlediska účinnosti je tudíž jedno, zda by se v zařízení podle vynálezu použil pro konání objemové práce vzduch jako směs plynů, dusík, kyslík nebo jiný plyn.

Pokud se energie akumulovaná do zkapalněného vzduchu zpětně uvolňuje pomocí konání objemové práce, pak při ohřátí a expanzi plynu z teploty přibližně 85 K na teplotu 273 K lze dosáhnout teoretické účinnosti (273-85)/273 = 0,68. Ve srovnání s teoretickou účinností spalovacího motoru, který pracuje při mnohem vyšších teplotách, je účinnost tepelného stroje využívající zkapalněný vzduch výrazně vyšší.

Další výhodou použití kapalného vzduchu jako média pro akumulaci energie je možnost samovolné výměny energie s okolím - to jest výměny energie uskutečněné po samovolném tepelném spádu. V klimatických podmínkách České republiky se venkovní teploty pohybují běžně v hodnotách od -20 do +30 °C. Čím vyšší teplota okolí, tím je pro samovolnou výměnu tepla výhodnější.

Zkapalněný plyn se vede z nádrže do výměníku tepla kde odebíráním tepla svému okolí získává zpět energii, která byla do tohoto plynu uložena při akumulaci této energie zkapalněním. Je přirozené, že zkapalňování plynu se provede mimo vozidlo a již zkapalněný plyn se následně tankuje do vozidla.

-4 CZ 299256 B6

Dále se plyn vede do pneumatického stroje, kde koná objemovou práci. Pojmem pneumatický stroj se v zařízení podle vynálezu rozumí zařízení, které je schopno konat objemovou práci expanzí přiváděného plynu. Pneumatický stroj může být reprezentován s výhodou klasickým pístovým mechanismem, různými druhy turbín a podobně.

Pojmem akumulace energie do zkapalněného vzduchu se v zařízení dle vynálezu rozumí schopnost zkapalněného vzduchu samovolně odebírat teplo okolí a konat objemovou práci.

Druhá část zařízení podle vynálezu zvyšuje termodynamickou účinnost spalovacího motoru následujícím způsobem.

Čtyřdobý zážehový spalovací motor pracuje v zařízení podle vynálezu pouze ve dvou taktech. První takt obsahuje expanzi a druhý výfuk. Sání a komprese je v zařízení dle vynálezu nahrazena vstřikem vysoce stlačeného oxidantu souběžně se vstřikem paliva nebo vstřikem oxidantu těsně před nebo těsně po vstřiku paliva. Vstřikuje se tudíž nejen palivo, ale i oxidant tohoto paliva. Pojmem oxidant se v zařízení dle vynálezu označuje vysoce stlačený vzduch nebo jeho složka kyslík.

Tlak pro přímý vstřik oxidantu by měl dosahovat násobků tlaku, které se dosahují ve spalovacích motorech ve fázi komprese. To je obvykle 1 až 2 MPa. Proto se tlaky pro přímý vstřik oxidantu předpokládají v řádu desítek MPa, případně v okolí 100 MPa.

V důsledku přímého vstřiku oxidantu mohou oba takty sání i komprese odpadnout, neboť jsou přímým vstřikem oxidantu plně nahrazeny. Teplota vysoce stlačeného vzduchu nebo kyslíku použitého pro vstřik oxidantu se předpokládá při teplotách blízkých teplotě okolí vozidla - tak aby bylo možné směs oxidantu a paliva zažehnout jiskrou svíčky. V zařízení podle vynálezu se předpokládá jednobodový í vícebodový vstřik oxidantu paliva. To znamená vstřik z jednoho nebo více míst v hlavě válce.

Objem vysoce stlačeného vzduchu, který se vstříkne souběžně s palivem by měl být takový aby šla směs oxidantu a paliva ve válci efektivně zažehnout zapalovací svíčkou.

Protože ne všechen oxidant se spotřebuje na spalování uhlovodíkového paliva a je nutno jej dodávat ve stechiometrickém přebytku. Nespotřebovaná směs oxidantu nebo složky oxidantu které se neúčastní spalování konají svou expanzí objemovou práci a tím zvyšují termodynamickou účinnost motoru. Tím je aplikována rovněž funkce popsaná v první části zařízení podle vynálezu.

Ve vznětovém spalovacím motoru nelze nahradit takty sání a komprese přímým vstřikem vysoce stlačeného oxidantu, neboť taktem komprese ve válci dochází k zahřátí obsahu směsi paliva a vzduchu a jeho vznětu při dokončení nebo dokončování taktu komprese. V zařízení dle vynálezu lze však účinnost vznětového spalovacího motoru zvýšit přímým vstřikem oxidantu při dokončení taktu komprese do stlačené a vznícené směsi vzduchu a paliva. Řečeným oxidantem je vysoce stlačený vzduch nebo jeho složka - kyslík. Stechiometrickým přebytkem oxidantu dojde k lepšímu spálení paliva. Nespotřebovaná směs oxidantu nebo složky oxidantu které se neúčastní spalování konají svou expanzí objemovou práci a tím zvyšují termodynamickou účinnost motoru.

Tlak pro vstřik oxidantu by měl ve vznětovém spalovacím motoru dosahovat násobků tlaku, které se dosahují v tomto motoru ve fázi komprese. Proto se tlaky pro přímý vstřik oxidantu předpokládají v řádu desítek MPa, případně v okolí 100 MPa.

Termodynamickou účinnost jak zážehového, tak i vznětového spalovacího motoru lze zvýšit v zařízení dle vynálezu dostřikem expanzního činidla - to jest vysoce stlačeného vzduchu nebo

- 5 CZ 299256 B6 jeho složky - v průběhu taktu expanze tohoto motoru. Stupeň komprese vzduchu při jeho dostřiku jako expanzního činidla by měla dosahovat násobků tlaku při expanzi paliva ve válci běžných spalovacích motorů. Předpokládají se tlaky v řádu desítek MPa, případně v okolí 100 MPa. Expanzí dostřikem expanzního činidla se rovněž dosáhne odebírání tepla vzniklého při spalování paliva. Vhodným poměrem dostřiku expanzního činidla lze převést tepelné ztráty motoru na objemovou práci konanou pístem ve válci a tím odstranit nutnost chlazení spalovacího motoru. Regulací množství dostřiku expanzního činidla lze v zařízení dle vynálezu tudíž regulovat teplotu motoru při jeho provozu na požadované úrovni. Tím odpadá nutnost chlazení motoru pomocí chladiče.

Pokud by se pro komprimaci vzduchu použitého pro přímý vstřik oxidantu v zařízeni dle vynálezu použila mechanická energie spalovacího motoru, byl by zisk termodynamické účinnosti malý.

Pokud by se pro komprimaci vzduchu použitého pro dostřik expanzního činidla v zařízeni dle vynálezu použila mechanická energie spalovacího motoru, byl by zisk termodynamické účinnosti blízký nule nebo v některých případech záporný.

V obou případech přímého vstřiku oxidantu i dostřiku expanzního činidla by tak zařízení dle vynálezu z části ztrácelo svoji plnou efektivitu.

Proto lze s výhodou použít zařízení dle vynálezu tak, že pro komprimaci vzduchu pro přímý vstřik oxidantu i pro komprimaci vzduchu pro dostřik expanzního činidla se použije energie akumulovaná do kapalného vzduchu nebo jeho složky tak, jak je popsáno v první části zařízení dle vynálezu. Při zkapalňování vzduchu lze oddělit kyslík, a dusík. Pro přímý vstřik oxidantu v zařízení dle vynálezu lze s výhodou použít kyslík. Spalovací motor (jak zážehový, tak i vznětový) s použitím kyslíku jako oxidačního Činidla má lepší kvalitu spalování - prakticky nulové emise oxidů dusíku Nox, snížené emise kysličníku uhelnatého CO a snížené emise nespálených uhlovodíků označovaných jako HC. U dostřiku expanzního činidla lze v zařízení dle vynálezu s výhodou použít dusík, protože při oddělení kyslíku ze směsi zkapalněného vzduchu by mohl případně zůstávat dusík jako nevyužitá složka vzduchu. V případě použití jak kyslíku tak dusíku se v zařízení dle vynálezu předpokládá oddělené skladování zkapalněného kyslíku a zkapalněného dusíku ve dvou oddělených nádržích, které plní funkci Dewarových nádob.

Zvýšená termodynamická účinnost spalovacího motoru (jak zážehového, tak i vznětového) pop35 sáná ve druhé části zařízení podle vynálezu má přímé fyzikální důsledky - nižší spotřebu paliva, nižší celkově emitované škodliviny a tím i vyšší ekonomiku provozu.

Zařízení dle vynálezu rovněž umožňuje pomocí regulace množství přiváděného stlačeného vzduchu regulovat teplotu spalovacího motoru na požadované teplotě.

Příklad praktického provedení první části vynálezu je uveden na výkresu zobrazeném na obr. 1. Číslem W je označeno schematické znázornění nádrže zkapalněného vzduchu s funkcí Dewarovy nádoby, Číslem 11 je schematicky označena hladina zkapalněného vzduchu umístěného v této nádobě. Nádrž zkapalněného vzduchu obsahuje kapalnou i plynnou složku za okolního, atmosfé45 rického tlaku za velmi nízkých teplot blízkých -200°C. Číslem 12 je označen průchod, který spojuje nádrž zkapalněného vzduchu s okolním atmosférickým tlakem. Zkapalněný vzduch je veden je veden v potrubím 15 do čerpadla 20.

Čerpadlo 20 musí překonávat tlakový rozdíl okolního tlaku a tlaku v pneumatickém systému.

Toto čerpadlo čerpá kapalný vzduch do výměníku tepla 40. Čerpadlo 20 i přívod zkapalněného vzduchu potrubím 15 musí být tepelně izolován aby nedocházelo k ohřevu přiváděného zkapalněného vzduchu. Vzhledem k nutnosti překonání velkého tlakového rozdílu je nutné použít čerpadlo, které to svou konstrukcí umožňuje - např. čerpadlo s hydraulickým pohonem. Části zařízení před čerpadlem 20 jsou provozovány za atmosférického tlaku a předpokládají nízkotlaký

-6CZ 299256 B6 systém. Tlak v nádrži zkapalněného vzduchu JO může být rovněž regulován na tlak vyšší než je atmosférický pomocí umístění regulačního ventilu tlaku do průchodu 12. Části zařízení za čerpadlem 20 jsou provozovány za velmi vysokého tlaku v řádu desítek MPa, případně v okolí 100 MPa.

Na obrázku 2 je čerpadlo 20 umístěno přímo ve zkapalněném vzduchu v nádrži zkapalněného vzduchu. Tím odpadne nutnost tepelné izolace čerpadla 20. Potrubí J5 pro zkapalněný vzduch není v tomto provedení zařízení podle vynálezu třeba.

Čerpadlo 20 lze nahradit uzavřením nádrže zkapalněného vzduchu pomocí uzavření průchodu 12, který spojuje nádrž zkapalněného vzduchu s okolním atmosférickým tlakem. V tomto případě však musí být nádrž zkapalněného vzduchu JO konstruována tak, aby odolávala vysokým tlakům a celé zařízení podle vynálezu tak představuje vysokotlaký systém, kde tlak se pohybuje v řádu desítek MPa, případně v okolí 100 MPa.

Čerpadlo 20 lze jej rovněž nahradit systémem přepouštěcí komory - ovšem na úkor snížení účinnosti celého pneumatického pohonu. Namísto čerpadla se v tomto případě část zkapalněného vzduchu přepustí do komory která odolává vysokému tlaku. Odtud vzduch samovolně přes výměník tepla 40 expanduje do pneumatického motoru. Po vyčerpání vzduchu v přepouštěcí komoře je nutné snížit v přepouštěcí komoře tlak na atmosférický, napustit komoru znovu kapalným vzduchem a uzavřít. Systém přepouštěcí komory se předpokládá se u vozidel kde není pohon čerpadla k dispozici např. u motorových kol.

U automobilů lze pro pohon čerpadla 20 použít pohon ze společného řemenu umístěném na čerpadle 20, motoru a alternátoru. Pro pohon čerpadla 20 lze rovněž využít elektrické energie z elektrické sítě automobilu.

Číslem 25 je označeno vysokotlaké potrubí, přivádějící vzduch od čerpadla do výměníku tepla. Předpokládá se potrubí s velmi nízkým průměrem, neboť potrubí s nízkým průměrem dobře odolává vysokým tlakům.

Číslem 40 je označen tepelný výměník. V této Části přejímá zkapalněný vzduch teplo od svého okolí a zvyšuje svůj tlak. Předpokládá se expanze zkapalněného plynu do velmi vysokých tlaků v řádu desítek MPa, případně v okolí 100 MPa. Tyto hodnoty byly odečteny z PV diagramu dusíku, kdy se provede ohřátí dusíku z 85K na 273 K. za zhruba dvojnásobného zvětšení objemu. Výsledný tlak je v tomto případě v řádu desítek MPa. Při ohřátí dusíku z 85K. na 400 K za zhruba 1, 5 násobného zvětšení objemu se dosáhne tlaků v řádu 100 MPa. Toho tlaku plyn dosáhne odebíráním tepla svému okolí.

Za výměníkem tepla následuje kapacitní člen 45, který slouží ke stabilizaci tlakových změn v systému.

Plyn za takto vysokého tlaku se dále přivádí do pneumatického stroje, kde koná objemovou práci. V příkladu provedení vynálezu je pneumatický stroj realizován válcem 50 s pístem 52, který pracuje tak, jak je běžné u cyklicky pracujících pneumatických pístových mechanismů. V prvním cyklu ventil 55 otevře přívod stlačeného vzduchu přiváděného z výměníku 40 přes kapacitní člen 45 potrubím 25. Plyn koná objemovou práci působením na píst 52 v objemu válce 50. Na začátku či v průběhu expanze ventil 55 uzavře. Po dosažení dolní úvratě pístu je píst vracen do horní úvratě, za současného otevření ventilu 56 a výfuku do výfukového potrubí 65. Tato fáze se nazývá výfuk. Po ukončení výfuku je ventil 56 uzavřen a celý cyklus o dvou taktech se opakuje znovu. Jedná se tedy o cyklus o dvou taktech - 1. expanze, 2. výfuk.

Vzduch z fáze výfuku se vyfukuje do okolí. Protože tento vzduch je díky expanzi chladný, je možné využít chlad tohoto vzduchu pro klimatizaci vozidla.

-7CZ 299256 B6

Teplo odebrané okolí ve výměníku 40 se tudíž převedlo na objemovou práci která se konala při expanzi. To že je teplo odebíráno okolí bylo dosaženo předchozím zkapalněním plynu a jeho ochlazením na teplotu zhruba 85K. Výměna tepla s okolím ve výměníku tepla 40 tudíž probíhá ve směru tepelného spádu, tedy samovolně. Takovýto tepelný stroj tudíž nemá žádné tepelné ztráty - odebírání tepla okolí je možné naopak nazvat tepelným ziskem.

Výměník tepla 40 může rovněž využívat odpadního tepla pokud je toto teplo k dispozici. Může se jednat například o odpadní teplo ze spalovacího motoru. Výměník 40 může být s výhodou umístěn v přední části vozidla, která je vystavena intenzivnímu proudění vzduchu. Proudění ío umožňuje lepší výměnu tepla s okolím a přísun vzduchu, kterému je teplo odebíráno.

Výměník tepla 40 může jako své okolí používat vodní lázeň s nemrznoucí směsí a nuceným oběhem přes další výměník umístěný v přední části vozidla. Jedná se o ohřev vzduchem nebo o ohřev vodou. Toto je analogie běžně používaného chlazení motoru vzduchem nebo chlazení vodou. V případě vynálezu se však jedná o zplynování kapalného vzduchu a následný ohřev stla15 ěeného plynu. U pohonů lodí se může teplo pro ohřev plynu ve výměníku 40 velmi efektivně získávat výměnou tepla s vodou, ve které se loď pohybuje.

V dalším příkladu provedení zařízení podle vynálezu lze rovněž vynález popsat jako parní stroj, jehož hnacím médiem působícím na píst není pára ale stlačený vzduch. Nalitím zkapalněného plynu do kotle parního stroje se začne plyn vařit a v pneumatickém systému parního kotle vzniká tlak. V topeništi kotle se však nemusí topit, neboť teplota zkapalněného plynu je výrazně nižší než teplota okolí a dochází k samovolnému přenosu tepla z okolí přes stěnu kotle do zkapalněného plynu.

Tento příklad provedení zařízení podle vynálezu může mít omezené praktické použití, ale je velmi ilustrativní.

Příklad praktického provedení druhé části vynálezu je uveden na výkresu uvedeném na obr. 3, obr. 4 a obr. 5.

Příklad praktického provedení zařízení podle vynálezu pro zvýšení termodynamické účinnosti spalovacího čtyřdobého zážehového motoru pracující nahrazením taktů sání a komprese nástřikem vysoce stlačeného oxidantu je schematicky znázorněno na obr. 3. Toto zařízení má následující prvky. Válec 310 s pístem 315. Na hlavě válce je umístěn výfukový ventil 320, tryska pro vstřik paliva 340 a tryska pro vstřik oxidantu 330. Výfuk se provádí do výfukového potrubí 350.

Palivo se přivádí potrubím 342 a oxidant se přivádí potrubím 25.

Zařízení dle vynálezu pracuje následně. Na začátku cykluje píst 315 v horní úvrati. To znamená v poloze blízké ventilu 320 a vstřikovacím tryskám 330 a 340. V této poloze dojde k souběžnému vstřiku oxidantu a paliva (benzínu). Oxidantem je vysoce stlačený vzduch nebo s výhodou kys40 lík. Po vstřiku dojde k zažehnutí vzniklé směsi paliva a oxidantu svíčkou 325. Po zapálení směsi dochází k expanzi ve válci 310 a konání objemové práce působením tlaku na píst 315. V dolní úvrati pístu 315 výfukový ventil 320 otevře a píst se navrací do horní úvratě, přičemž ventilem 320 se vyfukují spaliny do výfukového potrubí 350. Tím se systém navrátí do počátečního stavu a poté se celý cyklus expanze a výfuku opakuje. Zařízení dle vynálezu tak pracuje pouze ve dvou taktech - expanze a výfuku. Oba takty sání a komprese jsou v zařízení dle vynálezu plně nahrazeny přímým vstřikem Oxidantu.. Zařízení podle vynálezu může obsahovat jednu nebo více trysek oxidantu 330.

Zařízení podle vynálezu může pracovat i ve střídavém režimu práce, kdy v prvním režimu se provedou oba takty tak, jak je popsáno výše nebo 4 takty tak jak je u zážehových motorů obvyklé. Ve druhém režimu nedojde na začátku taktu expanze ke vstřiku paliva tryskou 340, ale pouze se vstříkne oxidant, to jest vysoce stlačený vzduch nebo jeho složka tryskou 330. Ten koná svou expanzí objemovou prácí a odebírá teplo vyhřátému válci spalovacího motoru. Tím plní válec

- 8 CZ 299256 B6 spalovacího motoru funkci pneumatického stroje, tak jak je tento popsán v první části zařízení podle vynálezu.

Příklad praktického provedení zařízení podle vynálezu pro zvýšení termodynamické účinnosti spalovacího čtyřdobého vznětového motoru je zobrazeno na obr. 4. Toto zařízení má následující prvky. Válec 410 s pístem 415. Na hlavě válce je umístěn výfukový ventil 420, sací ventil 460, tryska pro vstřik paliva 440 a tryska pro vstřik oxidantu 430. Výfuk se provádí do výfukového potrubí 450. Palivo se přivádí potrubím 442 a oxidant se přivádí potrubím 25, vzduch pro sání se přivádí potrubím 462.

Zařízení dle vynálezu pracuje ve čtyřech taktech nebo fázích, tak, jak je u vznětových motorů obvyklé.

1. fáze zahrnuje pohyb pístu 415 z horní úvratě směrem dolů. Pojmem horní úvrať se rozumí poloha pístu 415 blízká ventilu 420 a vstřikovacím tryskám 430 a 440. V této fázi píst nasává vzduch a proto se tato fáze nazývá sání.

2. fáze zahrnuje pohyb pístu 415 z dolní úvratě zpět směrem nahoru. Během této fáze dochází ke kompresi a zahřívání nasátého vzduchu.

3. fáze začíná tím že píst 415 je v horní úvrati. V horní úvrati pístu 415 nebo těsně před horní úvratí dochází ke vstřiku paliva dieselového typu, zařízení podle vynálezu se od stavu techniky liší tím, že ve fázi horní úvratě pístu 415 nebo při zahájení fáze expanze se provede vstřik dodatečného oxidantu tryskou 430. Oxidantem je vysoce stlačený vzduch nebo s výhodou kyslík. Oxidant musí být vstříknut tak, aby nedocházelo k ochlazení směsi ve válci pod teplotu vznícení. Ve válci dochází ke vznícení směsi a následně dochází k expanzi a konání objemové práce působením tlaku na píst 415. Objemovou práci koná i nespálený oxidant vstříknutý tryskou 430. Píst 415 přejde působením tlaku do dolní úvratě.

4. fáze zahrnuje otevření výfukového ventilu 420 a píst se navrací do horní úvratě, přičemž ventilem 420 se vyfukují spaliny. Na konci 4. fáze ventil 420 uzavře.

Tím se systém navrátí do počátečního stavu a poté se všechny čtyři fáze opět opakují. Zařízení podle vynálezu může obsahovat jednu nebo více trysek oxidantu 430.

Zařízení podle vynálezu může pracovat i ve střídavém režimu práce, kdy v prvním režimu se provedou všechny čtyři takty tak, jak je popsáno výše nebo tak, jak je u vznětových motorů obvyklé. Ve druhém režimu nedojde na začátku taktu expanze ke vstřiku paliva tryskou 440, ale pouze se vstříkne oxidant, to jest vysoce stlačený vzduch nebo jeho složka tryskou 430. Ten koná svou expanzí objemovou práci a odebírá teplo vyhřátému válci spalovacího motoru. Tím plní válec spalovacího motoru funkci pneumatického stroje, tak, jak je tento popsán v první části zařízení podle vynálezu.

Příklad praktického provedení zařízení podle vynálezu pro zvýšení termodynamické účinnosti spalovacího čtyřdobého zážehového nebo vznětového spalovacího motoru dostřikem expanzního činidla je zobrazeno na obr. 5.

Válec 510 s pístem 515 obsahuje všechny prvky běžné u spalovacích motorů sací a výfukové ventily, trysky pro vstřik paliva a u zážehového motoru zapalovací mechanismus - svíčku. Tyto běžně používané prvky jsou popsány v předchozích sekcích a zobrazeny na obr. 3 a 4.

Zařízení podle vynálezu se od stavu techniky liší tím, že obsahuje jednu nebo více trysek 530 umožňujících dostřik expanzního činidla do prostoru Válce.. Tento dostřik se provádí ve fázi expanze ve válci 510. Fáze expanze je popsána v předchozích odstavcích. Dostřikem expanzního

-9CZ 299256 B6 činidla dochází ke zvýšení tlaku ve válci 510 a konání objemové práce působením tohoto tlaku na píst 515. Expanzní činidlo odebírá svou expanzí teplo ze směsi spalin ve válci 510. Tím směs spalin a válec ochlazuje. Expanzní činidlo je přiváděno potrubím 25. Trysky 530 nemusí být umístěny v hlavě válce 510 ale mohou být umístěny i ve stěnách pracovního prostoru válce 510.

Příklad praktického provedení zařízení podle vynálezu a umístění jednotlivých částí tohoto zařízení ve vozidle je vyobrazeno na obr. 6. Na zobrazeném automobilu je nádrž kapalného vzduchu nebo jeho složky 10 umístěna v zadní části vozidla, odkud je vedena trubkou s velmi nízkým průměrem 25 do výměníku tepla 40 umístěného v přední části vozidla. Obě části 25 i 40 musí odolávat vysokým tlakům vzduchu nebo jeho složky. Z výměníku 40 se vede stlačený vzduch nebo jeho složka do válce 50, kde tento vzduch nebo jeho složka koná objemovou práci svou expanzí, neboje stlačený vzduch použit pro přímý vstřik oxidantu do spalovacího motoru neboje použit pro dostřik expanzního činidla ve spalovacím motoru.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (4)

1. Termodynamicky účinné zařízení k pohonu motorových vozidel, obsahující nádrž (10) se zkapalněným vzduchem, kyslíkem nebo dusíkem, která je potrubím (15) propojena se vstřikovacím zařízením (55, 330, 430, 530) na hlavě válce objemového nebo spalovacího pístového motoru, obsahujícího alespoň výfukový ventil (56, 320, 420) a popřípadě i palivovou vstřikovací trysku (340) a zapalovací svíčku (325), nebo sací ventil (460) a palivovou vstřikovací trysku (440), vyznačené tím, že mezi nádrží (10), která je tepelně izolovaná, a vstřikovacím zařízením (55, 330, 430, 530) je uspořádán výměník tepla (40) k přeměně kapalné fáze plynu na plynou fázi.

2. Termodynamicky účinné zařízení k pohonu motorových vozidel podle nároku 1, v y z n a č e n é tí m , že mezi výměníkem tepla (40) a vstřikovacím zařízením (55, 330, 430, 530) je uspořádán kapacitní člen (45) ke stabilizaci tlaku plynné fáze plynu.

3. Způsob zvýšení termodynamické účinnosti pístových spalovacích motorů využívající zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačený tím, že zkapalněný vzduch nebo kyslík o teplotě blízké -200 °C se ve výměníku tepla (40) převede do plynné fáze o tlaku plynu 10 až 100 MPa, který je vstřikovacím zařízením (330) vpuštěn do válce (310) nad píst (315) v horní úvrati při současném vstřiku paliva palivovou vstřikovací tryskou (340) a po následném zapálení vzniklé palivové směsi zapalovací svíčkou (325) palivová směs expanduje a tlačí píst (315) do spodní úvrati, načež se otevře výfukový ventil (320), skrze který jsou spaliny odvedeny z válce (310) a při dosažení horní úvratě je výfukový ventil (320) uzavřen při současném vpuštění tlakového plynu vstřikovacím zařízením (330) a paliva vstřikovací tryskou (340) do válce (310).

4. Způsob zvýšení termodynamické účinnosti pístových spalovacích motorů využívající zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačený tím, že zkapalněný vzduch, kyslík nebo dusík o teplotě blízké -200 °C se ve výměníku tepla (40) převede do plynné fáze o tlaku plynu 10 až 100 MPa, který je vstřikovacím zařízením (530) vpuštěn do válce (510) nad píst (515) při taktu expanze čtyřdobého pístového spalovacího motoru.

4 výkresy