CZ33140U1 - Pístový spalovací motor s elektrickým generátorem - Google Patents

Description

Technické řešení se týká uspořádání pístového spalovacího motoru ve spojení s elektrickým generátorem, přičemž se jedná o dvouválcový motor, nebo motor s násobkem dvou válců, se dvěma klikovými hřídeli, který je určen pro dobíjení akumulátorů ve vozidlech nebo letounech s minimalizací vibrací při provozu, tzv. range extender.

Dosavadní stav techniky

Pro pohon elektrického generátoru jsou používány pístové spalovací motory různých typů. Jsou používány jedno válcové i víceválcové jednotky. Prakticky každý motor lze spojit s generátorem, a tak jsou zpravidla využívány spalovací motory, které vycházejí z motorů pro pohon jiných zařízení. Obvykle mají jednu klikovou hřídel a pohání jeden generátor. Tyto konstrukce, i když jsou víceválcové a silově dobře vyvážené, mají torzní kmitání, které je způsobeno jednotlivými zápaly ve válcích motoru a okamžitou reakcí bloku motoru. Požadavky pro moderní pohony elektrických generátorů zejména typu Range extender například pro elektrovozidla nebo elektrolety jsou ale specifické. Požadavkem je například jednoduchost, malý počet válců, malá hmotnost, vhodné zástavbové rozměry a důležitá je i minimalizace vibrací. Myšlenka použít motor s dvěma klikovými hřídeli nebo spojit dva motory se zatím objevuje jen výjimečně. Příkladem je například řešení dle US20130319349A1. Zde se jedná sice o motor se dvěma klikovými hřídeli, ale pohon jednoho rotoru generátoru vyvolává při zážehu ve válcích reakční moment rotoru generátoru. Proto je uložení celého soustrojí zatíženo torzními kmity. Ani motor není vyvážen z hlediska setrvačných sil ideálně, protože válce jsou umístěny rovnoběžně a setrvačné síly klikových mechanismů nelze vyvážit ideálně. Dále je tato koncepce s rovnoběžnými válci vysoká a nevhodná pro požadavky nízké zástavby.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny pístovým spalovacím motorem s elektrickým generátorem sestávajícím ze dvou válců s hlavami a písty s ojnicemi a dvěma klikovými hřídeli, případně jejich násobků, které jsou spojené ozubenými koly s poměrem převodu 1 : 1 s opačným směrem otáčení, podle tohoto řešení. Jeho podstatou je to, že první kliková hřídel s ozubeným kolem je uložena rovnoběžně vedle druhé klikové hřídele s druhým ozubeným kolem v jedné skříni motoru tak, že ozubená kola s převodem 1 : 1 do sebe zapadají a první kliková hřídel je spojena s rotorem prvního generátoru a druhá kliková hřídel je spojena s rotorem druhého generátoru, nebo setrvačníkem přičemž moment setrvačnosti sestavy první klikové hřídele s prvním ozubeným kolem a s rotorem prvního generátoru odpovídá momentu setrvačnosti sestavy druhé klikové hřídele s druhým ozubeným kolem a s rotorem druhého generátoru nebo setrvačníkem a dále jsou válce s písty umístěny v kolmém směru na rovinu symetrie mezi klikovými hřídeli s tím, že osy dvojice válců leží v jedné rovině a oba písty se nacházejí v horní úvrati současně.

Vyvážení jednotlivých klikových mechanismů je provedeno tak, že nevyvážené rotační hmoty klikového mechanismu jsou vyváženy vývažky na 100 % a odstředivé síly Fo se tedy vzájemně ruší. Posuvné hmoty klikových mechanismů zůstávají zcela nevyváženy. Setrvačné síly Fs od posuvných hmot jsou vzájemně eliminovány díky symetricky opačnému pohybu shodných posuvných hmot obou klikových mechanismů v jedné rovině.

Motor může být s dvoudobým nebo čtyřdobým cyklem. U čtyřdobého motoru může být pracovní cyklus u protilehlých válců posunutý o jednu otáčku.

- 1 CZ 33140 U1

Motor může obsahovat více protilehlých dvojic válců se symetrickým umístěním pístů a ojnic vůči rovině symetrie mezi dvěma klikovými hřídeli s tím, že pracovní cykly u dvojic protilehlých válců mohou být fázově posunuty.

Pístový spalovací motor s elektrickým generátorem řeší ideálně požadavky na moderní Range extender pro elektricky poháněná vozidla a letouny. Je to jednoduché levné řešení pouze s dvěma válci, které jez hlediska setrvačných sil dokonale silově i momentově vyvážené. Rotační hmoty na klikových mechanismech jsou vyváženy na 100 % a setrvačné síly od posuvných hmot jsou vzájemně eliminovány díky symetricky opačnému pohybu shodných posuvných hmot obou klikových mechanismů.

Díky tomu, že se písty s ojnicemi pohybují v jedné rovině, nevzniká ani žádný moment, od působících setrvačných sil. Při náhradě ojnic dvěma hmotnými body je třeba brát v úvahu doplňkový setrvačný moment ojnice. V tomto případě se i tyto momenty ojnic navzájem eliminují při symetrickém pohybu ojnic v jedné rovině.

Vzhledem k tomu, že jsou u opačně se otáčejících hřídelí shodné momenty setrvačnosti a jelikož jsou tyto hřídele dokonale synchronizovány ozubenými koly, jsou i všechny momenty vzniklé nerovnoměrnostmi chodu pístového motoru též vzájemně zcela eliminovány. Do uložení motoru se tedy nepřenesou žádné kolísavé síly ani momenty a celé soustrojí je zcela neutrální. Motor netrpí vibracemi v uložení ani při startu nebo při vypínání ani při chodu v nízkých otáčkách. V elektricky poháněném letounu nedojde tedy ani při startu nebo vypnutí motoru k přenosu vibrací do konstrukce draku a nemůže tak být ovlivněna žádná citlivá činnost. Například filmování a focení. Uspořádání motoru je výhodné pro zástavbu, protože je velmi nízké a dá se tedy umístit například pod podlahu vozidla. Též v letounech je plochá konstrukce výhodná pro nejpoužívanější typy zástaveb spalovacích motorů. Při současném zážehu v obou válcích dochází k společnému přenosu sil na klikové mechanismy a jejich shodné urychlování, proto budou ozubená kola spojující klikové mechanismy minimálně zatížená. Nejvýhodnější je použití dvou shodných generátorů na obou klikových hřídelích a pak budou mít ozubená kola jen synchronizační účinek. Toto uspořádání je také výhodné proto, že dva generátory jsou menšího průměru a nezvyšují zástavbovou výšku motoru. Eventuálně lze v případě použití dvou generátorů elektricky řešit též možnost odpojení jednoho generátoru v případě jeho poruchy. Pokud bude použit jen jeden generátor a na druhé hřídeli bude jen setrvačník, pak budou ozubená kola přenášet i užitečný výkon z hřídele, kde je setrvačník. I tak bude ale silové zatížení ozubení velmi příznivé. Výhodu je i to, žer motor lze vyvinout do výroby poměrně rychle a snadno s použitím komponentů soudobých jedno válcových motorů.

Objasnění výkresů

Pístový spalovací motor s elektrickým generátorem podle tohoto technického řešení bude blíže objasněn na příkladných provedeních s pomocí přiložených výkresů. Na obr. 1 je znázorněn v řezu pístový spalovací motor s dvěma válci s hlavami a písty s ojnicemi a dvěma klikovými hřídeli, které jsou spojené ozubenými koly s poměrem převodu 1 : 1 s opačným směrem otáčení. První kliková hřídel s ozubeným kolem je uložena rovnoběžně vedle druhé klikové hřídele s druhým ozubeným kolem v jedné skříni motoru tak, že ozubená kola s převodem 1 : 1 do sebe zapadají. První kliková hřídel je spojena s prvním rotorem generátoru a druhá kliková hřídel je spojena s druhým rotorem generátoru. Válce s písty jsou umístěny v kolmém směru na rovinu symetrie mezi klikovými hřídeli a osy dvojice válců leží v jedné rovině. Oba písty se nacházejí v horní úvrati současně. Motor má dvoudobý cyklus.

Na obr. 2 je v řezu pístový spalovací motor s generátorem v obdobném uspořádání jako na obr. 1 ale se čtyřdobým cyklem.

-2CZ 33140 U1

Na obr. 3 je axonometrický pohled s částečným řezem pístového spalovacího motoru s generátorem s obdobným uspořádáním jako na obr. 1. Rozdíl je v tom, že motor má jen jeden rotor generátoru na jedné klikové hřídeli a na druhé klikové hřídeli má setrvačník. Díky větším průměrům rotoru generátoru a setrvačníku, než je rozteč klikových hřídelí, je rotor generátoru axiálně posunut vůči rotoru setrvačníku.

Na obr. 4 je axonometrický pohled s částečným řezem pístového spalovacího motoru s generátorem s obdobným uspořádáním jako na obr. 1. Rozdíl je vtom, že jeden rotor generátoru je umístěn na předním konci první klikové hřídele a druhý rotor generátoru je umístěn na zadním konci druhé klikové hřídele. Rotory mají velké vnější průměry, ale v tomto uspořádání si nepřekáží.

Na obr. 5 je axonometrický pohled s částečným řezem pístového spalovacího motoru s generátorem s dvoudobým cyklem a dvěma dvojicemi protilehlých válců. Přední dvojice protilehlých válců má pracovní cyklus posunutý o 180° oproti zadní dvojici protilehlých válců. Klikové hřídele jsou opatřeny na předním konci stejnými rotory generátorů.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příkladný pístový spalovací motor s elektrickým generátorem dle obr. 1 je tvořen ze dvou válců 9 a 10 s hlavami 13 a 14 a písty 11 a 12 s ojnicemi 7 a 8 a dvěma klikovými hřídeli 1 a 2. které jsou spojené ozubenými koly 3 a 4 s poměrem převodu 1 : 1 s opačným směrem otáčení. První kliková hřídel 1 s ozubeným kolem 3 je uložena rovnoběžně vedle druhé klikové hřídele 2 s druhým ozubeným kolem 4 v jedné skříni motoru 17 tak, že ozubená do sebe zapadají. První kliková hřídel 1 je spojena s rotorem prvního generátoru 5 a druhá kliková hřídel 2 je spojena s rotorem druhého generátoru 6. Moment setrvačnosti sestavy první klikové hřídele 1 s prvním ozubeným kolem 3 a s rotorem prvního generátoru 5 odpovídá momentu setrvačnosti sestavy druhé klikové hřídele 2 s druhým ozubeným kolem 4 a s rotorem druhého generátoru 6. Válce 9 a 10 s písty 11 a 12 jsou umístěny v kolmém směru na rovinu 20 symetrie mezi klikovými hřídeli s tím, že osy dvojice válců leží v jedné rovině a oba písty 11 a 12 se nacházejí v horní úvrati současně. Motor má dvoudobý cyklus.

Příkladný pístový spalovací motor s generátorem dle obr. 2 vychází z provedení dle obrázku 1. Pracovní cyklus motoru je ale čtyřdobý.

Příkladný pístový spalovací motor s generátorem dle obr. 3 vychází z provedení dle obrázku 1. Na první klikové hřídeli 1 je připevněn větší rotor prvního generátoru 5 a na druhé klikové hřídeli 2 je připevněn setrvačník 18. Aby vzájemně nekolidovaly jsou axiálně přesazené.

Příkladný pístový spalovací motor s generátorem dle obr. 4 vychází z provedení dle obrázku 1. Na přední části první klikové hřídeli 1 je připevněn rotor prvního generátoru 5 a na zadní části druhé klikové hřídele 2 je připevněn rotor druhého generátoru 6. Rotory generátorů 5 a 6 mají velké vnější průměry, ale v tomto uspořádání si nepřekáží.

Příkladný pístový spalovací motor s generátorem dle obr. 5 vychází z provedení dle obrázku 1. Motor se liší tím, že je opatřen dvěma dvojicemi protilehlých válců 9 a 10. Přední dvojice protilehlých válců má pracovní cyklus posunutý o 180° oproti zadní dvojici protilehlých válců.

U pístového spalovacího motoru s generátorem je činnost následující. Ve skříni motoru 17 se první kliková hřídel 1 s prvním ozubeným kolem 3 a rotorem prvního generátoru 5 otáčí na opačnou stranu než druhá kliková hřídel 2 s druhým ozubeným kolem 4 a rotorem druhého generátoru 6 shodnými otáčkami díky ozubeným kolům 3 a 4 s převodovým poměrem 1:1. První píst 11 a druhý píst 12 se pohybují symetricky vůči rovině 20 symetrie motoru a to tak, že se vždy nacházejí v horní úvrati současně.

-3 CZ 33140 U1

Zrychlení posuvných hmot u prvního pístu 11 je tedy shodné ale opačného směru oproti zrychlení posuvných hmot u druhého pístu 12 a při shodných hmotnostech se setrvačné síly Fs vzájemné zcela eliminují. Při náhradě ojnice dvěma hmotnými body je třeba uvažovat i doplňkový setrvačný moment první ojnice 7 i druhé ojnice 8. Při shodnosti ojnic budou tyto momenty též shodné, ale opačné, a tak se též zcela eliminují. Jelikož se osy prvního válce 9 a druhého válce 10 nachází v jedné rovině, nevzniká ani žádný moment od posuvných setrvačných sil. Vyvážení rotačních hmot na první klikové hřídeli 1 i na druhé klikové hřídeli 2 je provedeno tak, že nevyvážené rotační hmoty jsou vyváženy vývažky 15 a 16 na 100 % a odstředivé síly Fo se tedy též vzájemně ruší. Při zážehu v prvním válci 9 a zážehu v druhém válci 10 dochází k přenosu momentu na rotory generátorů 5 a 6. Jelikož jsou klikové hřídele 1 a 2 synchronizovány ozubenými koly 3 a 4, jsou uhlová zrychlení jejich rotace zcela shodná ale opačná. Protože moment setrvačnosti sestavy první klikové hřídele 1 s prvním ozubeným kolem 3 a s rotorem prvního generátoru 5 je shodný s momentem setrvačnosti sestavy druhé klikové hřídele 2 s druhým ozubeným kolem 4 a s rotorem druhého generátoru 6, jsou i vzniklé setrvačné momenty stejné velikosti ale opačného smyslu, a tak se zcela eliminují. Pístový spalovací motor s generátorem tedy nepřenáší do svého uložení při své činnosti žádné síly ani momenty krom své hmotnosti. U motoru s dvoudobým cyklem dochází k současným zážehům v prvním válci 9 a druhém válci 10. Pokud je navíc odpor rotorů generátorů 5 a 6 shodný je namáhání mezi prvním ozubeným kolem 3 druhým ozubeným kolem 4 zcela minimální. Funkce ozubených kol 3 a 4 bude jen synchronizační. Vyrovnávat budou jen malé rozdíly vlivem rozdílného průběhu spalování v prvním válci 9 a druhém válci 10.

U motoru se čtyřdobým cyklem je možný společný zážeh v prvním válci 9 a druhém válci 10 nebo zážeh střídavý při vzájemném posunu pracovních cyklů o 360°. V případě střídavého zážehu je sice plynulejší chod generátorů 5 a 6 ale namáhání ozubení ozubených kol 3 a 4 je značné, protože činná kliková hřídel 1. musí urychlovat druhou nečinnou klikovou hřídel 2 a naopak.

U provedení motoru, kde rotor prvního generátoru 5 je na první klikové hřídeli 1_ a na druhé klikové hřídeli 2 je setrvačník 18, budou ozubená kola 3 a 4 přenášet výkon z druhé klikové hřídele 2 na klikovou hřídel 1. V případě společných zážehů ve válcích 9 a 10 je ale namáhání ozubených kol 3 a 4 poměrně příznivé. Výhodou může být použití jen jednoho generátoru.

V případě, že má motor více dvojic protilehlých válců 9 a 10 je jeho činnost obdobná jako u dvouválcového provedení. Pracovní cykly rozdílných dvojic válců 9 a 10 mohou být fázově posunuté a pak bude plynulejší chod rotorů generátorů 5 a 6 a vyšší dosažený výkon.

Průmyslová využitelnost

Pístový spalovací motor s elektrickým generátorem podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění jako generátor typu Range extender pro moderní vozidla a letouny poháněné elektrickou energií.

Claims (6)

1. Pístový spalovací motor s elektrickým generátorem obsahující alespoň dva válce (9) a (10) s hlavami (13) a (14) a písty (11) a (12) s ojnicemi (7) a (8) a dvěma klikovými hřídeli (1) a (2), které jsou spojené ozubenými koly (3) a (4) s poměrem převodu 1 : 1 s opačným směrem otáčení, vyznačující se tím, že první kliková hřídel (1) s ozubeným kolem (3) je uložena rovnoběžně vedle druhé klikové hřídele (2) s druhým ozubeným kolem (4) v jedné skříni motoru (17) tak, že ozubená kola s převodem 1 : 1 do sebe zapadají a první kliková hřídel (1) je spojena s rotorem prvního generátoru (5) a druhá kliková hřídel (2) je spojena s rotorem druhého generátoru (6) a/nebo setrvačníkem (18), přičemž moment setrvačnosti sestavy první klikové hřídele (1) s prvním ozubeným kolem (3) a s rotorem prvního generátoru (5) odpovídá momentu setrvačnosti sestavy druhé klikové hřídele (2) s druhým ozubeným kolem (4) a s rotorem druhého generátoru (6) a/nebo setrvačníkem (18) a dále j sou válce (9) a (10) s písty (ll)a(12) umístěny v kolmém směru na rovinu symetrie (20) mezi klikovými hřídeli (1) a (2) s tím, že osy dvojice válců (9) a (10) leží v jedné rovině a oba písty (11) a (12) se nacházejí v horní úvrati současně.

2. Pístový spalovací motor s elektrickým generátorem podle nároku 1, vyznačující se tím, že nevyvážené rotační hmoty klikových mechanismů jsou opatřeny vývažky (15) a (16) pro jejich vyvážení na 100 %.

3. Pístový spalovací motor s elektrickým generátorem podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že motor je s dvoudobým cyklem.

4. Pístový spalovací motor s elektrickým generátorem podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že motor je s čtyřdobým cyklem.

5. Pístový spalovací motor s elektrickým generátorem podle nároku 3, vyznačující se tím, že pracovní cyklus u protilehlých válců je posunutý o jednu otáčku.

6. Pístový spalovací motor s elektrickým generátorem podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že motor obsahuje více protilehlých dvojic válců (9), (10) se symetrickým umístěním pístů (11), (12) a ojnic (7), (8) vůči rovině (20) symetrie mezi dvěma klikovými hřídeli (1) a (2).