Dvoudobý spalovací motor

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká dvoudobého spalovacího motoru, zejména dvoudobého zážehového motoru. Předkládané řešení je určeno pro dosažení plnicího tlaku válce vyššího než atmosférického.

Dosavadní stav techniky

Dvoudobý spalovací motor je pístový motor, v němž je každý dvojzdvih pístu pracovní. Ve srovnání se čtyřdobým motorem má dvoudobý motor vyšší výkon, jednodušší konstrukci, nižší hmotnost, a další výhody. Dvoudobý motor je konstruován tak, že skříň motoru zahrnuje klikovou skříň, v níž je umístěna kliková hřídel spojená s pístem pohybujícím se ve válci. Do klikové skříně ústí přívod vzduchu nebo směsi paliva se vzduchem, uzavíratelný jazýčkovým ventilem, a kliková skříň je spojena s prostorem nad pístem přepouštěcím kanálem. Přepouštěcí kanál je v dolní úvrati klikové hřídele otevřený, v horní úvrati klikové hřídele je uzavřený pístem. Z prostoru nad pístem je z válce vedeno výfukové potrubí, které je v dolní úvrati klikové hřídele otevřené, v horní úvrati klikové hřídele je uzavřené pístem.

Při pohybu pístu z horní úvratě do dolní úvratě (expanze) píst svým pohybem nejdříve otevře výfúkový kanál a následně přepouštěcí. Jelikož je směs v prostoru klikové skříně stlačována pohybem pístu do dolní úvratě, je ve chvíli otevření přepouštěcího kanálu tlak v klikové skříni vyšší než v prostoru válce a dojde tak k nucenému výplachu spalin. Při pohybu pístu z dolní úvratě píst nejprve uzavře přepouštěcí kanál a až následně výfúkový, tím je znemožněno dosáhnout vyššího plnicího tlaku ve válci. Pohyb pístu do horní úvratě způsobuje podtlak v klikové skříni, do které je tak nasávána čerstvá směs, nebo vzduch.

Běžnou součástí výfukového kanálu bývá rotační nebo posuvné šoupátko, které zasahuje do horní části kanálu a slouží k aerodynamickému posunutí horní hrany výfukového kanálu dolů, což má za následek prodloužení expanze a zvětšení točivého momentu v nižších otáčkách motoru (https://cs.wikipedia.org/wiki/Ovoudob%C3%BD spalovac%C3%AD motor#Řízení výfuku). Nejedná se však o uzavření výfukového kanálu.

Jelikož dané konstrukční řešení neumožňuje zvýšení plnicího tlaku, existují řešení vznětových motorů s externím zdrojem tlakového vzduchu, který je přiváděn sacími kanály přímo do válce (ne přepouštěcím kanálem přes klikovou skříň). Tyto sací kanály jsou otevírány pístem stejně jako přepouštěcí kanály, výfukový kanál je nahrazen mechanicky ovládaným výfukovým ventilem v horní části spalovacího prostoru. Přídavný ventil snižuje výkon, protože na jeho otevření je potřeba konat práci (takové systémy jsou popsány např. zde: htto://www.dieselduck.into/machine/01%20prime%20movers/diese1 engine/diesel engine.01 .ht m. nebo zde: http://giobal.kawasaki.conv^,en/mobilit\7^,marine/machinerv/pdt7K-ECOS.pdf).

Předkládaný vynález si klade za cíl vytvořit takové řešení uzavírání výfukového potrubí, které by bylo konstrukčně jednoduché, efektivní a dobře řiditelné.

Podstata vynálezu

Předkládaný vynález tohoto cíle dosahuje poskytnutím rotačního disku s otvorem nebo vybráním na části obvodu, nebo s výstupkem na části obvodu, přičemž tento rotační disk zasahuje svým obvodem do výfukového kanálu tak, že výfúkový kanál je úplně uzavíratelný/otevíratelný rotačním diskem.

-1 CZ 308792 B6

Předmětem vynálezu je tedy dvoudobý spalovací motor, který zahrnuje skříň motoru zahrnující klikovou skříň, v níž je umístěna kliková hřídel spojená s pístem pohybujícím se ve válci, přičemž z prostoru válce je vedeno výfukové potrubí, které je v dolní úvrati klikové hřídele otevřené, v horní úvrati klikové hřídele je uzavřené pístem, jehož podstata spočívá v tom, že dále obsahuje rotační disk s otvorem nebo vybráním na části obvodu, nebo s výstupkem na části obvodu, přičemž tento rotační disk zasahuje svým obvodem do výfukového kanálu tak, že výfukový kanál je úplně uzavíratelný/otevíratelný rotačním diskem.

Pojem „úplně uzavřít“ znamená uzavřít celou plochu průřezu výfukového kanálu.

Typicky tedy motor obsahuje klikovou skříň, která je oddělena od prostoru nad pístem, motor tedy používá bezeztrátové mazání. Výměnu pracovní náplně zajišťují ve spodní části válce umístěné kanály (sací a výfukové). Uspořádání sacích a výfukových kanálů odpovídá uspořádání přepouštěcích a výfukových kanálů v některých konstrukcích dvoutaktního motoru. Sací kanály přivádějí čerstvou pracovní náplň od externího zdroje tlaku, kterým je například mechanické či elektrické dmychadlo. Aby bylo možné dosáhnout přeplnění, tj. zvýšení plnicího tlaku nad atmosférický tlak, i když je výfukový kanál vyšší než sací a tlak by tak unikl do výfukového kanálu, je výfukový kanál podle předkládaného vynálezu v blízkosti válce doplněn o rotační disk. Rotační disk ve výfukovém kanálu zajišťuje jeho uzavření, tak aby náplň válce nemohla unikat. K uzavření musí dojít v dostatečném předstihu před uzavřením sacích kanálů pístem, ale dostatečně pozdě, aby náplň ze sacích kanálů vytlačila z prostoru válce zbytky spalin ideálně až za polohu rotačního disku, aby nebyl příliš teplotně namáhán.

Rotační disk je s výhodou uložen co nejblíže k válci, aby objem výfukového kanálu mezi pístem a diskem byl co nejmenší.

V některých provedeních může rotační disk být uložen v podstatě kolmo k průřezu výfukového kanálu. Tak se dosáhne toho, že plocha, kterou disk uzavírá, je co nejmenší, což umožňuje minimalizovat i velikost rotačního disku.

Rotační disk má osu, na níž je uložen a kolem které se otáčí, umístěnou mimo výfukový kanál. Jelikož spaliny mohou dosahovat teplot kolem 1000 °C, je potřeba aby uložení disku a pohon byl od těchto teplot ostíněn.

Možná provedení rotačního disku jsou schematicky zobrazena na obr. 1. Obr. la ukazuje rotační disk s výstupkem na části obvodu, obr. 1b ukazuje rotační disk s vybráním na části obvodu, a obr. 1c ukazuje rotační disku s otvorem na části obvodu.

Otevřená část obvodu rotačního disku, tedy otvor, vybrání nebo část obvodu bez výstupku, odpovídá době otevření výfukového kanálu. Plná část obvodu rotačního disku odpovídá době uzavření výfukového kanálu.

V případě rotačního disku na obr. la odpovídá úhlová výseč výstupku době uzavření výfukového kanálu. Rotační disk je pak uspořádán tak, aby výfukový kanál byl uzavřen výstupkem od okamžiku, kdy je píst v oblasti dolní úvratě, což znamená v rozmezí 20° před dolní úvrati až 20° po dolní úvrati (sací kanály jsou ještě otevřeny a může tak dojít ke zvýšení plnicího tlaku), alespoň do okamžiku, kdy je výfukový kanál uzavřen pístem pohybujícím se do horní úvratě, a zároveň aby byl výfukový kanál otevřený (tj. nikoliv uzavřený výstupkem rotačního disku), když píst pohybující se od horní úvratě výfukový kanál otevře.

V případě rotačních disků znázorněných na obr. 1b a 1c odpovídá úhlová výseč otvoru nebo vybrání době otevření výfukového kanálu, tedy době nej později od otevření výfukového kanálu pístem při cestě do dolní úvratě až do dosažení přibližně dolní úvratě pohybu pístu (což je

-2CZ 308792 B6 v rozmezí 20° před dolní úvratí až 20° po dolní úvrati), aby po uzavření výfukového kanálu plnou částí okraje disku mohlo být dosaženo zvýšení plnicího tlaku.

Uhlový rozměr výsečí otvoru, vybrání, resp. části obvodu disku bez výstupku, je přímo úměrný převodovému poměru mezi klikovou hřídelí a rotačním diskem (čím větší převod, tím větší úhel). Uhlový rozsah také přímo limituje převodový poměr. Pokud je převod mezi klikovou hřídelí a rotačním diskem řešen čistě mechanicky, smysluplné hodnoty převodového poměru jsou 1; 2; 3, neboť nižší převodový poměr neuzavře výfukový kanál dostatečně rychle, a vyšší převodový poměr vyžaduje příliš velkou úhlovou výseč. Otevřená část obvodu rotačního disku může mít rozměr například v rozmezí 30 až 330 úhlových stupňů, rozměr závisí na konkrétním konstrukčním řešení, jak je zde uvedeno.

Průměr disku je rozměrově závislý na použitém pohonu a ložiskách nesoucích jeho hřídel.

Rotační disk může být uložen přímo na klikové hřídeli, nebo na vlastní hřídeli, která je od klikové hřídele poháněna hnacím mechanismem. Hnacím mechanismem mohou být například ozubená kola, řetěz nebo ozubený řemen. Cistě mechanická vazba disku s klikovou hřídelí komplikuje proměnné časování. Alternativně může být rotační disk poháněn elektromotorem, který diskem otáčí bez mechanické vazby na klikovou hřídel.

V jednom provedení může být konstantní převod otáček klikové hřídele a rotačního disku. V dalších provedeních může být proměnný převod otáček klikové hřídele a rotačního disku nebo dokonce mohou být otáčky rotačního disku na otáčkách klikové hřídele nezávislé (například u rotačního disku poháněného elektromotorem). To je výhodné, protože pro různé otáčky motoru se může vhodný okamžik uzavření výfukového kanálu pro dosažení optimálního naplnění válce měnit. Proměnnost převodového poměru, tedy proměnné časování uzavření výfukového kanálu, může výrazně ovlivnit provozní parametry motoru. Pohon otáčení rotačního disku může být zajištěn i kombinací výše uvedených možností.

Účelem rotačního disku je vytvořit ve výfukovém kanálu dostatečně velký aerodynamický odpor, aby ve spalovacím prostoru mohlo dojít k navýšení plnicího tlaku nad atmosférický. K tomu je potřeba, aby rotační disk uzavřel výfukový kanál v době, kdy jsou výfukové plyny již odvedeny a spalovací prostor propláchnut, ale zároveň je sací kanál ještě otevřen (oblast dolní úvratě klikové hřídele) a udržení kanálu zavřeného do doby, než je výfukový kanál uzavřen pístem pohybujícím se do horní úvratě.

Rotační disk v průběhu práce motoru stále rotuje, tedy je energeticky efektivnější, a není třeba vynakládat energii potřebnou na stlačení ventilové pružiny, jak je tomu u v současnosti navržených motorů.

Z důvodu maximálního snížení mechanických ztrát může být rotační disk v prostoru výfukového kanálu s výhodou uložen s vůlí (tj. nedotýká se stěn), volba velikosti vůle přímo ovlivňuje maximální dosažitelný plnicí tlak válce.

Objasnění výkresů

Obr. 1 schematicky znázorňuje možná provedení rotačního disku podle vynálezu.

Obr. 2 a obr. 3 představují schematicky funkční pohyblivé části motoru s umístěným rotačním diskem podle vynálezu. Na obr. 2 je vpravo řez motorem, a vlevo detail disku v řezu AA vyznačeném vpravo. Na obr. 3 jsou řez a náhledy na fúnkční pohyblivé části motoru, s mechanickým pohonem disku od klikové hřídele s převodovým poměrem 2:1. (1 - rotační disk; 2 - výfukový kanál; 3 - sací kanály; 4 - mechanický pohon disku)

-3CZ 308792 B6

Příklad uskutečnění vynálezu

Motor s rotačním diskem podle vynálezu je schematicky znázorněn na obr. 3. Popisované konstrukční řešení se týká dvouválcového motoru pro pohon elektrického generátoru.

Na obrázku 3 je znázorněn klikový mechanismus motoru. Vztahová značka 2 značí výfukový kanál, vztahová značka 3 značí sací kanál.

Dále bude popsáno konkrétní provedení motoru s rozměry, pro vysvětlení vztahů mezi rozměry motoru a uspořádáním rotačního kotouče.

V konkrétním provedení, na kterém je ilustrováno stanovení rozměrů rotačního disku, má motor vrtání válce 70 mm a zdvih 76 mm. Při výšce výfukového kanálu 15 mm (kdy spodní hrana je ve stejné výšce jako píst v dolní úvrati) píst zakryje horní hranu výfukového kanálu při natočení klikové hřídele o 60° z dolní úvratě. To znamená, že za chodu se výfukový kanál začíná otevírat 60° před dolní úvrati a je zavřen 60° po dolní úvrati. Například pro sací kanály o výšce 10 mm to samé platí pro úhel 49° natočení klikové hřídele.

Výfukový kanál v místě rotačního disku má čtvercový tvar se stranou 22 mm se zaoblenými rohy poloměrem 5 mm. Rotační disk typu a (viz obr. 1) o průměru 108 mm potřebuje výseč výstupku o úhlu 42°, aby překryl výfukový kanál.

Budeme-li uvažovat, že polovinu doby otevření výfukového kanálu jej chceme mít plně otevřený, aby došlo k výfuku a propláchnutí spalovacího prostoru, a pak jej chceme začít zavírat (tedy začínáme zavírat když je píst v dolní úvrati), aby po jeho uzavření mohl být skrze sací kanály navýšen plnicí tlak, pak nám pro popsané parametry vychází:

Pokud bude převodový poměr disku a klikové hřídele 1:1, pak pokud začneme výfukový kanál zavírat když je píst v dolní úvrati, kanál bude uzavřen 42° po dolní úvrati. Sací kanály se uzavřou 49° po dolní úvrati, pro zvýšení tlaku máme tedy jen 7° natočení klikové hřídele. Výfukový kanál pak musíme držet zavřený do doby 60° po dolní úvrati, takže výstupek na disku typu a musí být minimálně 60°.

Pokud bude převodový poměr disku a klikové hřídele 2:1, pak pokud začneme výfukový kanál zavírat, když je píst v dolní úvrati, kanál bude uzavřen 21° po dolní úvrati. Sací kanály se uzavřou 49° po dolní úvrati, pro zvýšení tlaku máme tedy 28° natočení klikové hřídele. Výfukový kanál pak musíme držet zavřený do doby 60° po dolní úvrati, takže výstupek na disku typu a musí být minimálně 120° (2x60).

Pokud bude převodový poměr disku a klikové hřídele 3:1, pak pokud začneme výfukový kanál zavírat, když je píst v dolní úvrati, kanál bude uzavřen 14° po dolní úvrati. Sací kanály se uzavřou 49° po dolní úvrati, pro zvýšení tlaku máme tedy 35° natočení klikové hřídele. Výfukový kanál pak musíme držet zavřený do doby 60° po dolní úvrati, takže výstupek na disku typu a musí být minimálně 180° (3x60). Zde začíná hrát roh i požadavek na dobu otevření výfukového kanálu, který je 60° natočení klikové hřídele. Tedy 180° výseče disku. Vzhledem k převodovému poměru to znamená, že ve chvíli, kdy píst začne otevírat výfukový kanál, to samé začne dělat rotační disk.

Převodový poměr se může v průběhu otáčky měnit pro optimalizaci časování, ale průměrný převodový poměr větší než jedna musí být vždy celé číslo (1, 2, 3). Převodový poměr 3:1 je maximální krajní řešení. Převodový poměr menší než 1 by musel být dělitelný celým číslem (1:2, 1:3, ...), celému číslu by odpovídal počet výstupků na disku. Jak vyplývá z výpočtu pro převodový poměr 1:1, zvolený disk je nevhodný (malý).

-4CZ 308792 B6

Čím menší je převodový poměr, tím větší disk, aby byla potřeba co nejmenší úhlová výseč disku k uzavření výfukového kanálu, a kanál byl uzavřen před uzavřením sacích kanálů, zbýval tedy prostor pro zvýšení plnicího tlaku.

Pokud by se jednalo o motor, který nebude pracovat pouze v konstantních otáčkách, do kterých se dostane pozvolna, je velikost rotačního kotouče důležitá s ohledem na moment setrvačnosti a tedy výkonovou náročnost jeho pohonu. Větší disk znamená větší moment setrvačnosti, a tedy větší energetické nároky při změně rychlosti (závislé na zrychlení).

Velikost a poloha rotačního disku je také ovlivněna dalšími komponenty motoru a požadavky na zástavbové rozměry. Pokud bude osa disku rovnoběžná s osou klikové hřídele, mohu mít disk velmi blízko u válce, ale velikost je limitována osovými vzdálenostmi. Pokud bude disk v jiné poloze, vzdálenost disku ovlivňuje prostor klikové skříně, chlazení válce a další.

Rotační disk podle vynálezu nemá za úkol dokonale utěsnit výfukový kanál, ale vytvořit tak výraznou tlakovou ztrátu, aby bylo možno zvýšit plnicí tlak. Proto je disk ve své komoře, která zasahuje do výfukového kanálu, uložen s vůlí. Absence tření mechanických dílů snižuje mechanické ztráty a tedy energetické nároky na pohon.