CZ330497A3

CZ330497A3 - Motor s volným pístem

Info

Publication number: CZ330497A3
Application number: CZ973304A
Authority: CZ
Inventors: Alfred Rickard Mayne; Alan Patrick Casey
Original assignee: Split Cycle Technology Limited
Priority date: 1995-04-20
Filing date: 1996-04-16
Publication date: 1998-05-13
Also published as: MX9708006A; EP0840844A4; KR19990007907A; CN1186535A; CA2218388A1; BR9608057A; EP0840844A1; US6029616A; JPH11503805A; WO1996033343A1

Description

Vynález se týká způsobu řízení proměnného pohybu pístů ^h a zvláště způsobu a prostředků měnění zdvihu motoru s volným \^? pístem vě válci, á to během cyklu pohybu pístu ve válci.

' . Dosavadní stav techniky

Motor s volným pístem v podstatě .spojůje do jednoho motoru princip spalovacího a hydraulického motoru. Při spalování dochází k expanzi spalované látky, která tlačí ha píst spalování, který je pevně spojený s čerpacím pístem, což společně tvoří motor s volným pístem. Čerpací píst čerpá hydraulickou kapalinu přes tlakové spoje do mnoha kombinací čerpaael/motorů, která se dají použít v mnoha aplikacích.

Podstata vynálezu

Tento vynález se může použít u mnoha aplikací pohybu volného pístu ve válci motoru s vnitřním spalováním, který pomocí prostředků tohoto vynálezu má usnadněno hydraulické spojení mezi komorou, jejíž pracovní obsah je dán pohybem ojnice spalovacího motoru s volným pístem. Ojnice vykonávající v komoře přímý pohyb a jedna nebo více pracovních komor rotačního stroje, jsou v obecné formě uvedeny v našem US patentů 5146880 á 5279209, ale nejsou těmito specifickými provedeními, uvedenými v těchto patentech, a tím co je v nich nazváno strojem s děleným cyklem, nijak omezeny. Oba patenty 5146880 a 5279209 zde uvádíme pro porovnání. V uspořádání podle tohoto vynálezu, je výstup z uvedené kombinace realizován přes centrální rotační.hřídel rotačního stroje našeho známého typu.

Podle jednoho aspektu tohoto vynálezu se poskytuje způsob přeměny přímého- pohybu pístu na rotační pohyb v motoru s volným

	ΦΦ	····	Φ
	Φ	Φ	«	«Φ
	Φ	♦	Φ	•
	Φ	Φ	φ Φ	• 1
	Φ	Φ	Φ	•
> -	• Φ	•	ΦΦΦ

• φφ φφφφ ♦ ♦ · « * φ ΦΦ· φ · φφφφ φ φ φ «φφ «φ « pístem, který zahrnuje alespoň jeden volný píst tvořený pístem spalování a* Čerpacím pístem,*kde čerpací píst čerpá hydraulickou kapalinu do alespoň jedné kombinace hydraulického čerpadla/motoru, která mění pohyb hydraulické kapaliny na výstupní rotační pohyb, a kde čerpadló/motoř je strojem s děleným cyklem, jak to již bylo definováno.

U jiného aspektu tohoto vynálezu se poskytuje motor s volným pístem, který tvoří píst spalování a čerpací píst, kde čerpací píst čerpá hydraulickou kapalinu, prostřednictvím kapalinového okruhu, do alespoň jedné kombinace čerpadla/motoru, kterou se mění pohyb zmíněné hydraulické kapaliny ria rotační pohyb a kde zmíněná kombinace čerpadla/motoru je strojem s děleným cyklem, jak to již bylo definováno. Pro snadnější vysvětlení fungování daného uspořádání, podle tohoto vynálezů, je nutné vzít v úvahu,, Že průměr čerpacího pístu je stejný, jako vrtání každé z pracovních komor rotačního stroje s děleným cyklem, se kterým je píst hydraulicky spojen. Bereme-li v úvahu, že maximální zdvih pístu je dejme tomu 36. min, á že píst je hydraulicky spojen sp šesti pracovníci: komorami stroje s děleným cyklem, potom 36 inm pohyb čerpacího pístu a pístu spalování, způsobí 6 mm pohýb každého pístu v každé ze Šesti pracovních komor, stroje s děleným cyklem.

Ovládáním zdvihu volného čerpacího pístu a s ním spojeného pístu spalování, lze realizovat hydraulický tok mezi komorou čerpacího pístu a kteroukoliv hydraulicky připojenou pracovní komorou šéstikomorového stroje s děleným cyklem. Ovládání pohybu volného, pístu se může realizovat podle dále uvedených příkladů. Jestliže pohyb volného pístu, z horní střední úvrati do spodní úvrati, odpovídá pohybu šesti připojených pístů stroje s děleným cyklem z jejich horních úvrati do spodních úvrati a obráceně, potom se při vložení řídicích ventilů hydraulické kapaliny do hydraulickém okruhu se může zdvih volného čerpacího pístu, a tím i pracovní obsah daný připojením pístu spalování, měnit zavíráním nebo otvíráním přístupu kapaliny do jednoho nebo více hydraulicky připojených pracovních komor stroje s děleným

A

	«	•
• ·			• · ·
	·,	♦	• ·' ·
« * · ·	•	» ·	·· · ·
• · ·		•	•	•
*· ·	··«	·«·	• · 4

cyklem. Způsobem podle tohoto vynálezu se může čtyřdobý motor š 3 volným''píšťěir připojitk*rotáčnímď stroji* s*-děleným cyklem tak, že se množství hydraulických pístů může z hydraulické spojky během pracovních cyklů, motoru podle požadavku odpojit, a tím dostat, například u již zmíněného příkladu s 36 mm pracovním a výfukovým zdvihem, 24 min sací a kompresní zdvih. Takovým uspořádáním získáme .kompresní zdvih 8:1 a pracovní zdvih 12:1.· Výhody takového čtyřdobého motoru, který funguje tímto způsobem, jsou odborníkům v oboru zřejmé. Pomocí tvarování vaček na . vačkovém hřídeli hydraulicky připojeného stroje s děleným __ cyklem, bude rovněž možné ovládat prodlevu pístu motoru v horní úvrati. Schopnost ovládání této prodlevy je v rozporu s principem fungování obvyklého motoru se zalomeným hřídelem.

U tohoto vynálezů, je hnací síla motoru přenášena na rotační hřídel stroje s děleným cyklem prostřednictvím hydraulického spojení a na volný píst. Toto hydraulické spojení se se vyhýbá problémům spojených s obvyklým motorem s rotačním hřídelem, kde volný čerpací píst a píst spalování jsou nuceny se pohybovat přímo místo rotačně.

U provedení Čtyřdobého spalovacího motoru, kterému še dává přednost, jsou volné písty hydraulicky připojeny ke Čtyřem samostatným sadám šesti komor 24 Válcového rotačního stroje s děleným cyklem, který je schopný integrovat zážehy čtyřech pístů, á tím poskytovat hladký rotační výstup.

Další aspekt tohoto vynálezu zajišťuje, že každá spalovací komora je vytvořena s dvěma volnými protilehlými písty š režimem spalování dvoudobéhó Cyklu. Každý z protilehlých pístů je hydraulicky spojen s alespoň jednou pracovní komorou rotačního stroje s děleným cyklem. Uložením dvou volných pístů ve společné spalovací komoře podle uspořádání, které jé v souladů s tímto vynálezem, se možnost plynulého měnitelného ovládání pohybu pístů zvyšuje. Pomocí takových prostředků se může měnit kompresní poměr vě spalovací komoře, aby se tím umožnilo využívání různých paliv, zatímco plynulá schopnost nastavení výfukových otvorů může poskytnout Snadné ovládání výkonu motoru·.

			*		··· 9
«-Ι ·	·'	··		« ·	«
• ·	*	♦	•	• ♦	9
• ·	* ·	«	• ·		9
• ·	•	♦	*	. *	9
··	·'	♦ »·		V V	'9

Podlé tohóto aspektu jsou ve společném válci uchycený dva protilehlé volné písty, mezi kterými vzniká spalovací komora. Písty jsou spojeny s příslušnými ojnicémi, které jsou uzpůsobeny k přímému pohybu uvnitř příslušných komor hýdrauličké kapaliny. Každý volný píst každého protilehlého pářu je hydraulicky spojen s alespoň jednou pracovní komorou (s kapalinou) stroje s děleným cyklem tak, že zdvih každého pístu každého páru pístů je ovládán, alespoň částečně, zdvihem každého'pístu pracovní komory s kapalinou stroje s děleným cyklem, ke kterému je píst zmíněného páru hydraulicky připojen. _________;____________

Přehled obrázků na výkrese

Tento výnález budě dále popsán pomocí příkladu s odkazem na připojené výkresy, na kterých:

obr.1 schematicky znázorňuje uspořádání, na kterém je demonstrován způsob hydraulického ovládání zařízení podle tohoto vynálezu, jak je aplikováno na jednom volném pístu,

Obr.2 schématicky znázorňuje čtyřválcový motor š volnými písty, u kterého jsou válce (jako na obr.lj spojeny s dvacetičtyřválcovým rotačním strojem s děleným cyklem, obr. 3 schematicky znázorňuje uspořádání hydraulického okruhu jiného provedení tohoto vynálezu, které demonstruje jeden způsob hydraulického ovládání, které je aplikované na čtyřech protilehlých párech pístů, obr.4. znázorňuje příčný řez protilehlých párů pístů z obr.3, v prvním uspořádání, obr.5 znázorňuje, podobně jako ňa obr.4, pohled na protilehlé písty v druhém uspořádání, které umožňuje výplach spalovací komory.

Příklady provedení vynálezu

Na obr.l je znázorněn jednoválcový motor s volným pístem 10, který zahrnuje hlavu válce 11 a píst 12. Píst 12 je spojen s

··		•	•	··	···«
	•		• ·		• ♦	•
•	•			•	• ♦	•
•	«	♦ ·	• 1	•	• ·· ·	•
•	•	·>	•	•	♦	•
• ·	•	··♦			•

ojnicí 13 vytvořené ze dvou částí s kloubovým spojem 14 mezi nimi.

O.jnice 13 sama, vytváří hydraulický čerpací píst 13/, a to v hydraulickém v<álci 15. Výstup 16 z hydraulického, válce 15 je spojen pomocí hydraulického vedení 17 se šesti pracovními válci rotačního stroje s děleným cyklem, kdy všechny válce pracují sé stejnou fází otáčení vačkových hřídelů 18, které jsou v kontaktu s příslušnými písty 19 rotačního stroje. Každé hydraulické spojení prostřednictvím hydraulického vedení 17 s hydraulickým válcem 15 stroje s děleným cyklem, se realizuje paralelním ' . vedením 20, které větví vedení 17.

Hydraulické spojení mezi každým válcem nebo komorou 21 a vedením 17 je ovládáno prostřednictvím činnosti příslušných proměnlivě otvírátelných ventilů 22. Ventily 22 mohou být selenoidními ventily (selenoid valves) nebo jejich ekvivalenty. Válec zobrazený na obr.l bude dále popsán jako čtyřdobý spalovací motor ovládaný tak, aby měl pracovní a výfukový zdvih 36 mm a sací a kompresní zdvih 24 mm, kde plocha příčného řezu otvoru pístu 13 - je stejná jako plocha káždého ze šesti hydraulických pístů 19..

U tohoto příkladu odpovídá hodnota zdvihu 36 mm u pístu 12. hodnotě zdvihu 6 mm u každého ze šesti pístů 19. V době spalování u motoru 10 se píst 12 pohybuje 36 mm nad úrovní pracovního zdvihu pístu, který přímo odpovídá 6mm pohybu šesti pístů 19. Na konci pracovního zdvihu pístu Í2, který se nachází v dolní ůvrati, a kdy se podobně i píst 19 nachází v dolní úvráti, začíná výfukový zdvih a každý z ventilů 22 je udržován pístem 13,- v otevřené poloze směrem do hydraulické spojovací komory 21, a to přes vedení 20 a 17. Na konči výfukového zdvihu a ira začátku sacího zdvihu se uzavřou dva ventily 22 tak, že pouze čtyři pisty 19 jsou hydraulicky spojeny s pístem 13/, což znamená, že píst 12 Se může pohybovat pouze v rozmezí sacího zdvihu 24 mm. U čtyřech pístů 19, které nejsou během sacího zdvihu hydraulicky spojeny s pístem 13/, se bude vyžádovat dodání další kapaliny do jejích pracovních komor 21, a by se

··		*
		•	··
• v	•	«
• ·	• «	♦
•	•	•	•
	•	• ♦•l

•	·	9999
··	• »	9
•	• »	9
9	9 999	9
*	9	9
···	9 9	·'

zabránilo vzniku sacího efektu v jejich pracovních komorách. Na obr.l jen znázorněna pružina, která pomáhá pístu 19 v návratu do dolní úvrati.

Na konči 24 milimetrového sacího zdvihu začíná kompresní zdvih se dvěma vyřazenými okruhy pístů 19, takže kompresní zdvih pístu 12 je rovněž omezen na hodnotu 24 mm, kdy horní ůvrať pístu 12 zůstává pro všechny zdvihy motoru 10 konstantní, zatímco se dolní úvráť mění v závislosti ňá druhu zdvihu u motoru.

__Na obr.2 je dvacetičtyřválcový rotační motor sděleným cyklem uspořádán tak, že ho lze spojit se čtyřmi motory 10, jak je to doloženo na příkladu na obr.1, kde je každý motor 10 tohoto uspořádání spojen se šesti pracovními komorami stroje 30.

Výstup ze systému je realizován přes střední rotační hřídel u os .stroje 3Ό. U tohoto způsobů může být hydraulický pohon, realizovaný výstupy čtyřválcového motoru, zapojen způsobem, který dovoluje variabilní řízení různých zdvihů pístů motoru během jejich pracovních cyklů.

Rychlost pístů ve válcích motoru se může omezit vhodným způsobem ovládání hydraulického přenosu šily do a z těchto válců, očekává se_> žé rychlost pístů ve válcích motoru bude mít přibližně hodnotu čtvrtiny limitu rychlosti pohybu pístu.

V případě, kdy nebude nutné, aby všechny čtyři válce u tohoto provedení, pracovaly současně, bude vrámci šetření palivem vhodné zrušit činnost jednoho nebo více válců. Pružnost činností, pomočí prostředků způsobu a zařízení podle tohoto vynálezu, zvyšuje výkonnost, která dosud nebyla k dispozici.

U dalšího provedení je pomocí stálého měnění výšky jednoho hydraulického-pístu stroje s děleným cyklem, pokud jde o vačky na momentálně zapojeném vačkovém hřídeli přes akční člen, možné získat nesmírně proměnný kompresní poměr, čímž vzniká možnost použít pro výběr požadovaného poměru pro jakýkoliv druh pálivá, nebo pro kompenzaci uproměnných zdvihů, vhodný počítač.

U dalšího provedení se pomocí odstavení hydraulického válce, s přihlédnutím k požadavkům na motor, například začínat s 6 mm

»· · ··* ·♦· * a

♦ · · zdvihem v klidově poloze a postupně zvyšovat zdvih až na hodnotu 36 mm při maximálním výkonu, může dosáhnout zlepšené efektivnosti tím, že dále umožníme, aby pracovní zdvih měl hodnotu 36 mm, a přitom še dosahovalo velkého expanzního poměru, zvláště když je kombinován s proměnnou kompresítak jak ťp již bylo uvedeno.

Tento vynález se může realizovat pohonem jednoho hydraulického pístu stroje s děleným cyklem, á to pomocí jednoho volného pístu.

Přestože bylo první provedení popsáno u čtyřdobého motoru, je tento způsob a .přístroj tohoto vynálezu vhodný pro použití i u dvoudobého jednoválcového nebo víceválčového motoru s volným pístem.

Obr.3 poskytuje stejný pohled jako obr.2, proto jsou podobné komponenty stejně číslovány jako na obr.2. U provedení na obr.3 jsou protilehlé písty 41 a 42 každého páru pístů a kombinace válců 40, spojeny š příslušnými hydraulickými písty 43 a 44. í>íst 41 ovládá výfukový otvor 45, zatímco pohyb pístu 42 představuje hlavní složku zdvihů motoru. ·

Ojnice 43 a 44 jsou připevněny k příslušným hydraulickým pístům 46 v rámci každé sestavy hydraulického, hnacího válce 47. Strana každé sestavy hydraulického válce, která je protilehlá vůči příslušné ojnici 43, je hydraulicky spojená s pracovní komorou a s písty 19 stroje s děleným cyklem 30, prostřednictvím vědění hydraulického okruhu. Jedno hydraulické vedení, které . působí s každým výfukovým ·” pístem 41, zahrnuje selenoidní ventil 22, který je schopný pracovat s vysokou rychlostí a je vložený do svého okruhu, zatímco jiné vedení je spojeno ,s pístem 19. . . . .

Každý pracovní píst 42, u tohoto provedení, je hydraulicky spojen se čtyřmi pracovními komorami 19, z nichž tři spojení mají zmíněné selenoidní ventily umístěné paralelně s jednou pracovní komorou 19-, která neíná zmíněný selenoidní ventil 22.

Ják je to znázorněno na obr.4 a 5, výfukový píst 41 má 12 mm zdvih ovládaný dvěma písty 1-9 stroje 30. Každý takový píst

J

·· ····	•	•	·· ····
	h	• ·	« ·
• · ·	•	•	« · ·
• · · · *	•	•	* ·· ♦
a « ·	•	•	• ·
	·»·,	···

má zdvih 6 mm a výstup jednoho pístu 19, který je proměnný vlivem připojeného selenoidního ventilu 22 (který odpovídá ventilům 22).

Každé těleso sestavy hydraulického válce 47 je znázorněno v poloze, ve které je připojeno k proporcionálnímu regulátoru, který ovládán pohyb tělesa 48 každé sestavy válče 47, a to Směrem do nebo směrem ze spalovací komory 50. Řízenou změnou · vzdálenosti mezi jedním tělesem 48 a odpovídajícím pístem 41,, je možné realizovat plynulé proměnný otvor do výfukového kanálu 45.

Aktivováním příslušných selenoiďníčh ventilů 22 z důvodu , .

vyřazení příslušných ovládacích hydraulických pístů 19, na základě požadavku motoru, je možně zajistit nejenom plynulé proměnné ovládání otvorů výfukového kanálu.45, ale rovněž snadnou změnu zdvihu každého pracovního pístu 42.

Jak je to znázorněno ha obr.4 a 5, s přihlédnutím k obr.3, je možné, vyřazením příslušných pístů 19 pomocí selenoidních ventilů 22 a na základě požadavku výstupu stroje /0, začít s pracovním pístem se zdvihem & mm pří chodu motoru naprázdno, a postupně zvyšovat zdvih pístů 42 na hodnotu, řekněme 24 mm, pro získání maximálního výkonu. Při zdvihu pístu 42 ovládaným pomocí čtyř samostatných pístů 19. kdy každý píst má zdvih 6 mm, je reálné plynule měnit kompresní poměr pomocí změny separace mezi tělesem válce 48 a pístem 42. Takové zařízení umožňuje, aby byl ovládací systém počítače (není znázorněn) použít k nastavení kompresního poměru u každého dvoudobého válce včetně protilehlých pístů 41 a 42. Takové ovládání komprese usnadňuje použití různých paliv v jednom motoru, nebo může poskytovat pracovnímu cyklu pístu další variace.

U jiného provedení (není znázorněno), je každý píst 41 a 42 spo jen, pomočí hydraulického vedení s příslušným samostatným., pístem 19 stroje 30, na rozdíl od popsaného stavu, kdy každý výfukový píst 41 je spojen se dvěma písty 19, a kdy každý kompresní píst 42. je hydraulicky spojen Se čtyřmi písty.19.

Proporcionálně ovládané regulátory 51, které jsou buďto •spojeny s příslušnými tělesy válců 48 sestav hydraulických válců • 4 «444 *4 fl»«

• 4 · 4 4 · 4 » « «·4 · « * ι¹ ·

444 44 4 (obr.3), nebo jsou zařazeny v okruhu na jiném místě, čímž působí ná změnu výšky hnaných součástek na jednom nebo více pístech 19, jsou schopné poskytnou komplexní ovládání otvorů výfukových kanálů 45 a/nebo kompresního poměru v závislosti na charakteristikách použitého paliva a časovaní zapalování zapalovací svíčky 52 v rámci počítačového ovládacího systémů, a to v oboru známým způsobem. ·

Odborník ocení, že lze realizovat množství variací a/nébo modifikací tohoto vynálezu, tak jak to bylo ukázáno- u příslušných provedeních, aniž by došlo k vzdálení se od ducha__ a rozsahu tohoto vynálezu. Tato uvedená provedení lze proto ' považovat ve všech aspektech za ilustrativní a neomezující.

Claims

1. Způsob přeměny přímého pohybu pístu na výstupní rotační pohyb v motoru s volným pístem zahrnuje:

alespoň jeden volný píst tvořený pístem spalování a čerpacím pístem, kdy čerpací píst čerpá hydraulickou kapalinu do alespoň jednoho hydraulického čerpadla/motoru, které mění pohýb hydraulické kapaliny na rotační výstupní pohýb a kde ______zrní něrié_ .č ér pád lp/mpt or_ je str o jem s “děleným cyklem¹¹, jak je to zde definováno.

2. Způsob podle nároku 1, v y z n a č uj í c í se t í m, že motore s volným pístem je vytvořen alespoň jedním párem protilehlých volných pístů v jednom společném vývrtu, takže ke spalování paliva dochází ve vyvrtu mezi párem pístů.

3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se t í m, že zdvih každého volného pístu je proměnný v důsledku ovládání množství toku hydraulické kapaliny mezi každým pístem a strojem s děleným cyklem.

4.. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se t í m, že pohyb každého volného, pístu spalování se mění v závislosti na požadovaném výstupu z motoru s volným pístem a se zřetelem na palivo, které še má v motoru spalovat.

5/Motor s volným pístem; který zahrnuje alespoň jeden, volný píst tvořený pístem spalování a čerpacím pístem, kde čerpací píst čerpá hydraulickou kapalinu, přes okruh kapaliny, do alespoň jednoho čerpadla/motoru, kde se mění pohyb hydraulické kapaliny na rotační pohyb, a kde čerpadlem/motorem je stroj s “děleným cyklem, jak to již bylo definováno.

- 11 Φ· 4444

44 ΗΙΙ

• • • • 4 44 • 4 • • 4 • 4 4 • 4 4 • • • 4. • 4 4 4 4 4 4 • 4 • 4 4 4 4 44 • 4 44 444 • 4 4

6. Motor s volným pístem podle nároku 5., vyznačuj ící set í m, že motor je tvořen alespoň jedním párem protilehlých volných pístů v rámci společného vývrtu, a kde část vývrtu mezi písty zahrnuje spalovací komoru.

7. Motor š volným pístem podle nároku 5 nebo 6, v ý z na č ú j í c í s e t í m, že zahrnuje prostředky, · které mění množství hydraulické kapaliny v okruhu kapaliny mezi volným pístem a pracovní komorou hydraulické kapaliny __stroje s děleným cyklem?.__. _____

8. Motor s volným pístem podle nároku 5, 6 nebo 7, v y. z n a č ů j í c í setí m> že hydraulický válec alespoň jednoho čerpacího pístu je vůči vývrtu svého, příslušného pístu spalování pohyblivý, aby se mohly provádět změny kompresního poměru ve spalovací komoře pístu spalování.

9. Motor s volným pístem podle nároku 7, vyznačující se t í m, že prostředky Změny zahrnují v okruhu kapaliny počítačem ovládané selenoidní ventily. '

10. Motor svolným pístem podle nároku 8, v y znač u j i c i .

se tím, že prostředky pohybu hydraulického válce vůči vývrtu příslušného pístu spalování zahrnují proporcionálně ovládaný regulátor. . '.

11. Motor s volným pístem podle nároku 10, vyznačující se t í m, že prostředky pro změnu zahrnují v okruhu kapaliny alespoň jeden počítačem ovládaný selenoidní ventil·.