HRP20020009A2 - Two-process rotary internal combustion engine - Google Patents

Description

Područje na koje se izum odnosi

Pretvaranje toplinske energije u mehanički rad u motorima s unutarnjim sagorijevanjem.

Tehnički problem

Slabo iskorištenje toplinske energije goriva i premalo dobivenog mehaničkog rada.

U svim dosadašnjim konstrukcijama motora s unutarnjim sagorijevanjem iskorištenje energije relativno je slabo. Četverotaktna klipna konstrukcija motora s unutarnjim sagorijevanjem, koja je danas u najširoj upotrebi, bazirana je na neefikasnom mehaničkom i termičkom konceptu.

Mehanička konstrukcija u kojoj se smjer djelovanja sile i dužina kraka sile mijenjaju od vrijednosti 0 u GMT i završavaju na vrijednosti 0 u DMT, vrlo je nepovoljna mehanička konstrukcija koja ne može iskoristiti postignute vrijednosti tlaka.

U današnjim klipnim konstrukcijama svi taktovi procesa odvijaju se u jednom volumenu što je za postizanje većeg iskorištenja energije termički vrlo nepovoljno.

NAJBOLJI POZNATI teoretski proces toplinske iskoristivosti (Carnot), termički je mnogo bolje VOĐEN.

U tom procesu toplina se mediju ODVODI u vrijeme kompresije, a DOVODI u vrijeme ekspanzije. Dovođenjem topline tokom izotermne ekspanzije, u vrijeme kada se dobiva rad, u Carnotovom kružnom procesu uz T1= konst., ODRŽAVA se unutarnja energija mediju postignuta na kraju kompresije.

U današnjim klipnim konstrukcijama dovođenje topline i povećanje unutarnje energije mediju odvija se u nepovoljno vrijeme, kada se zbog mehaničke konstrukcije ne može dobiti rad. Rad se uglavnom dobiva adijabatskom ekspanzijom, kojom se u vrijeme kada se dobiva rad, unutarnja energija mediju UMANJUJE. To je razlog zbog kojeg klipne konstrukcije ne mogu dati bolje termičke rezultate.

Kako su motori s unutarnjim sagorijevanjem toplinski motori u kojima se toplinska energija pretvara u mehanički rad neophodno je tu toplinu maksimalno iskoristiti.

Kod današnjih konstrukcija uključujući i Wankelovu rotacionu, to nije tako.

Prilikom izgaranja goriva velik dio oslobođene topline prelazi na stijenke sistema koje okružuju volumen izgaranja. Ako se taj dio topline odmah vodom odvede u hladnjak i preda okolišu, kako se to radi u današnjim konstrukcijama, čine se veliki nepovratni toplinski gubitci. Slijedeći nepovratni toplinski gubitci današnjih konstrukcija odvijaju se odvođenjem dijela topline iz sistema preko velikih vanjskih površina sistema - zračenjem. Kada se ovome zbroji toplina ispušnih plinova, koja se direktno i nepovratno odvodi u okoliš, iskorištenje topline kod današnjih konstrukcija vrlo je slabo.

Današnje konstrukcije iskorištavaju oko 35 % uložene energije.

Preostala energija gubi se odvođenjem topline: vodom, zračenjem i ispušnim plinovima.

Ove gubitke potrebno je svesti na manju mjeru čime će i iskorištenje energije biti veće.

Stanje tehnike

Nedostaci današnjih klipnih konstrukcija motora s unutarnjim sagorijevanjem

Klipna konstrukcija ima velik broj mehaničkih i toplinskih nedostataka.

U mehaničkom smislu ima velik nedostatak u pretvaranju pravocrtnog gibanja klipa u kružno gibanje radilice pa se mijenja smjer djelovanja sile. U vrijeme postizanja najvećeg tlaka i temperature, dakle ostvarivanja najveće unutarnje energije medija, smjer djelovanja sile gotovo je okomit na os vrtnje pa se dobiva vrlo mali rad i okretni moment.

Promjena volumena odvija se hodom klipa od GMT do DMT u kojima klip doslovno stane radi promjene smjera hoda pri čemu se javljaju neugodne inercione sile koje uzrokuju nemiran rad.

Nagla promjena volumena koja se odvije u pola okretaja radilice s gledišta boljeg iskorištenja energije također je vrlo nepovoljna. Osim smanjenog puta djelovanja sila (tokom ekspanzije), bitno su skraćena i vremena potrebna za obavljanje pojedinih taktova što zahtjeva veliku brzinu odvijanja procesa.

Četverotaktna konstrukcija koja je danas u najširoj upotrebi u 720° okretaja radilice daje rad na putu od 180° (1 Pi). Odvijanje procesa u cilindru u kojem se klip pravocrtno giba klipnjačom povezan s radilicom uvjetuje gabarite stroja, čime se kod izvedbi manjih gabarita ne može postići veći krak sile pa time postići i veći okretni moment.

Dužina kraka sile kreće se od 0 do dužine koja iznosi maksimalno pola hoda klipa jer je to radius radilice. U trenutku postizanja maksimalnog kraka sile tlakovi su ekspanzijom već bitno pali, a u daljnjem okretanju krak sile ponovo pada prema 0 i smjer sile prema osi vrtnje što je razlog da se dužom ekspanzijom u klipnoj konstrukciji vrlo malo ili gotovo ništa ne dobiva.

Radi visokih temperatura medija na kraju kompresije današnji se klipni motori konstruiraju s relativno malim omjerima kompresije.

Nizak tlak ostvaren kompresijom podiže se izgaranjem goriva kod konstantnog volumena ili uz vrlo mali porast volumena pri kraju izgaranja. Tako se, u Ottovom procesu, zbog kompresije koja je završila visokom temperaturom i relativno niskim tlakom, dovođenje topline izgaranjem goriva, tlak i temperatura, kao i unutarnja energija medija, povećavaju u vrijeme vrlo male promjene volumena, dakle u vrijeme kada se NE VRŠI RAD. Oslobođena toplina tokom izgaranja ne služi samo povećanju unutarnje energije medija nego i zagrijavanju relativno hladnih okolnih stijenci. Izgaranje goriva počinje prije kraja kompresije (oko 30° prije GMT i traje približno toliko poslije GMT), a kasniji bi početak izgaranja (početkom ekspanzije - poslije GMT), bio još nepovoljniji radi prekratke ekspanzije i toplinskih gubitaka previsokim temperaturama i tlakovima ispušnih plinova. U Dieselovom ili Sabhateovom procesu promjena volumena u vrijeme izgaranja nešto je veća pa su i rezultati nešto bolji. Zbog ovog povećanja volumena tokom izgaranja potrebni su i poželjni veći tlakovi na početku izgaranja pa s tim u vezi i veći omjeri kompresije, a kako se u tim procesima komprimira zrak, temperatura na kraju kompresije nije limitirana. Visoka temperatura i tlak na kraju kompresije u ovim procesima, a radi prekratkog trajanja ekspanzije, kao i velike mase medija, također rezultira toplinskim gubicima visokom temperaturom i tlakom ispušnih plinova, pa su time početni efekti bitno umanjeni. RAD se u navedenim procesima uglavnom dobiva na račun unutarnje energije medija adijabatskom ekspanzijom kojom pada temperatura mediju, čime se unutarnja energija mediju umanjuje.

Štetni prostor neizbježan u toj konstrukciji zadržava izgorjele plinove iz prethodnog okretaja, smanjuje volumetrijski stupanj punjenja, čime se u proces uvodi manja masa medija.

Konstrukcija radi uz pomoć mnogobrojnih ventila (otpori strujanju) pokretanih bregastim vratilima te za to potrebnim prijenosom i oprugama, pa za navedeno, uz gubitke trenja treba utrošiti i određeni rad. Podešavanjem momenata otvaranja i zatvaranja ventila dobilo se na vremenu za pojedine taktove.

Najvažniji takt ekspanzije, dakle takt u kojem se dobiva rad, bitno je skraćen (ispušni ventili otvaraju se već nakon 130 –135° ekspanzije) čime se, unatoč početku izgaranja još u vrijeme kompresije, velik dio topline ispušnim plinovima odvodi u okoliš. Smatra se povoljnim gubitak od nekoliko bara tlaka na početku ispuha kako bi se postigla čim veća brzina ispuha. Ovo dokazuje nedostatak vremena, jer gubitak principijelno ne može biti povoljan. No, zbog mehaničke konstrukcije (smjer i krak sile pri kraju ekspanzije ponovo su nepovoljni, promjena volumena je premala), pa se visoka temperatura izgorjelih plinova koja bi mogla duže održati tih nekoliko bara tlaka i ostvariti dobivanje određenog rada, ne koristi, nego se predaje u okoliš, što direktno uzrokuje velike toplinske gubitke.

S gledišta iskorištenja topline odvijanje procesa u jednom volumenu vrlo je nepovoljno.

U toplinskim motorima nastoji se ostvariti čim veći tlak i temperatura medija na kraju kompresije.

Prilikom naglog usisa medija u jednovolumni klipni motor, te velike brzine strujanja medija tokom usisa dolazi do intenzivnog prijelaza topline sa vrućih stijenci na medij, čime se temperatura mediju podiže već prilikom usisa. Prijelaz topline s vrućih okolnih stijenci na medij traje i početkom kompresije, pa se ubrzo stvara visoka temperatura medija. Time se povećava i unutarnja energija mediju prije no što je nad medijem izvršen rad, pa je za takvu kompresiju potrebno uložiti više rada.

Temperatura medija tokom kompresije postaje veća od temperature okolnih stijenci, pa prijelaz topline krene obrnuto sa medija na stijenke. Odvođenje topline prekasno je i preslabo da bi se kompresiju moglo vršiti do većih omjera kompresije. Kompresija se odvija uz visok prosječni eksponent politrope kompresije, a zbog prerano postignute visoke temperature medija, kompresiju se mora završiti na malim omjerima kompresije, što rezultira niskim tlakom na kraju kompresije.

Visoku temperaturu na kraju kompresije moguće je postići hlađenjem medija tokom kompresije, dužim komprimiranjem medija do većih omjera kompresije, čime se postiže veći tlak na kraju kompresije, ali je to u jednovolumnoj klipnoj konstrukciji neizvedivo.

Wankelova rotaciona konstrukcija u smislu većeg kraka sile pa i okretnog momenta nešto je bolja od klipnih, ali je u termičkom smislu koncipirana slično klipnim konstrukcijama, jer se svi taktovi odvijaju u jednom kućištu u kojem je teško postići poželjne temperaturne uvjete, rotor se kreće planetarno, omjeri kompresije se mijenjaju i konstrukcijski su ograničeni, postoje problemi s obodnim brtvenjem, proizvodnja je složena i skupa, a iskorištenje energije je i nešto manje no kod klipnih konstrukcija.

Za efikasnije korištenje energije i dobivanje većeg rada, bilo bi povoljno vršiti kompresiju kao što vidimo u Carnotovom kružnom procesu, s intenzivnim ODVOĐENJEM topline iz medija tokom “prvog stupnja” kompresije, čime bi se postigli visoki tlakovi nakon ove kompresije, s manje uloženog rada. Ova kompresija trebala bi se odvijati među IZVANA INTENZIVNO HLAĐENIM stijenkama koje okružuju kompresioni volumen. Kompresiju bi trebalo vršiti polaganije kako bi se toplinu stiglo odvoditi. Hlađenje medija tokom kompresije omogućuje vršenje kompresije do većih omjera kompresije. U teoretskom Carnotovom kružnom procesu temperatura medija na kraju izotermne kompresije teoretski ostaje početna temperatura kompresije (T2=konst.). Do potrebne temperature u tom se procesu dolazi adijabatskom kompresijom, dakle bez odvođenja topline mediju tokom “drugog stupnja” kompresije, pa se ovakva kompresija ne može izvršiti u volumenu s intenzivno hlađenim okolnim stijenkama.

Dovođenje topline mediju prijelazom topline s hladnih okolnih stijenki ili kroz hladne okolne stijenke neizvedivo je. Dovođenje topline mediju izgaranjem goriva u volumenu kojeg okružuju hladne stijenke bilo bi vrlo nepovoljno radi velikih gubitaka prijelazom topline na okolne stijenke tokom izgaranja.

Iz ovoga je vidljivo da teoretski najbolji proces toplinske iskoristivosti - Carnotov kružni proces, zahtjeva odvijanje procesa u nekoliko volumena.

Zbog odvijanja svih taktova u jednom volumenu mogućnosti akumuliranja topline koje pružaju materijali u današnjim se konstrukcijama motora s unutarnjim sagorijevanjem ne mogu iskoristiti.

Kada se svi taktovi procesa odvijaju u jednom volumenu, najpovoljnije je postići optimalnu “radnu temperaturu” okolnih stijenki. Ovo za posljedicu ima relativno nisku temperaturu okolnih stijenki, čime se prilikom svakog izgaranja vrši i veliki prijelaz topline na okolne stijenke koje se s druge strane hlade vodom čime se toplina odvodi u hladnjak i zatim u okoliš.

Prijelaz topline s medija na stijenke tokom izgaranja uzrokuje najveće toplinske gubitke.

Slabim iskorištenjem energije današnjih konstrukcija motora s unutarnjim sagorijevanjem u jednom se ciklusu (najčešće 2 okretaja), postiže relativno mali rad. Zbog malo dobivenog rada u jednom okretaju snagu se postiže ili velikim brojem okretaja ili povećanjem zapremine, što u oba slučaja ima za posljedicu povećanu potrošnju goriva i zraka, prekomjerno zagađenje okoliša uz globalno zagrijavanje planete.

Ovo su u najkraćim objekcijama konstrukcijski nedostaci koji onemogućuju efikasnije odvijanje procesa. To su razlozi slabom iskorištenju energije u dosadašnjim konstrukcijama.

Ovakve nedostatke moguće je otkloniti samo potpuno drugačijom konstrukcijom.

Izlaganje suštine izuma

Bolje iskorištenje energije u motorima s unutarnjim sagorijevanjem po prijedlogu autora može se postići

4a) Novim toplinskim procesom - (Krajnovićevim kružnim procesom)

4b) Akumuliranjem topline u sistemu

4c) Iskorištavanjem akumulirane topline sistema - (Carnotovim kružnim procesom)

4d) Mehaničkom konstrukcijom rotacionog motora s unutarnjim sagorijevanjem, koja to omogućuje, a odlikuje se slijedećim mehaničkim i termičkim prednostima:

1. Nema pretvaranja pravocrtnog u kružno gibanje

2. Promjena volumena odvija se u 360° okretaja vratila

3. SMJER djelovanja sile UVIJEK je IDEALAN - paralelan s osi vrtnje. (konstanta)

4. KRAK SILE uvijek je maksimalan - (konstanta)

5. Mogućnost povećanjem kraka sile bez povećanja zapremine - povećanje snage motora.

6. Svi taktovi odvijaju se ISTOVREMENO

7. Usis, Ispuh i Ekspanzija traju kontinuirano

8. Konstrukcija omogućuje bolji volumetrijski stupanj punjenja

9. Konstrukcija omogućuje mnogo veće vrijeme za odvijanje svakog takta procesa

10. Konstrukcija radi bez upotrebe ventila i za to potrebnih prijenosa

11. Motor ima izuzetno povoljan odnos između mase i dobivenog rada tj. snage

12. U rotacionoj konstrukciji nema negativnih inercionih sila

13. Konstrukcija termički omogućuje velike omjere kompresije

14. Konstrukcija smanjuje termičke gubitke zračenjem

15. Konstrukcija omogućuje akumulaciju topline i njeno korištenje

16. Konstrukcija omogućuje bolje iskorištenje temperature i tlaka izgorjelih plinova

17. Mogućnost izrade za sva pogonska goriva

18. Jednostavnost konstrukcije

19. Miran i tih rad.

Rotacioni motor konstruiran je na poznatom principu rada: usis, kompresija, ekspanzija i ispuh, ali se TOPLINSKI PROCES VODI na efikasniji način, nego što se vodi u današnjim konstrukcijama.

Bitna razlika vođenja procesa u odnosu na dosadašnje sastoji se u tome da se svi taktovi procesa odvijaju istovremeno u većem broju međusobno i od okoline izoliranih volumena što omogućuje povoljnije termičko vođenje procesa. Usis i kompresija odvijaju se u JEDNOM cilindru, a u DRUGOM cilindru, smještenom na istom vratilu, odvija se tokom ekspanzije izgaranje goriva i akumulacija topline.

Odvijanje toplinskog procesa u sistemu od nekoliko međusobno i od okoline izoliranih cilindara omogućuje da se toplina ODVODI u vrijeme kompresije, a DOVODI u vrijeme ekspanzije, kao u Carnotovom kružnom procesu, što rezultira boljim iskorištenjem energije, a smanjuje i gubitke zračenjem. Toplinu stijenki tih cilindara, koje okružuju volumene, moguće je iskoristiti, odnosno, prilagoditi njihovu temperaturu potrebama odvijanja procesa. Velike, unutarnje, pogodno povšinski obrađene, oble površine prstena i rotora, koje se okreću zajedno s medijem, polaganija promjena volumena, u kojem su nasuprotne oble stijenke vrlo blizu, kao i mnogo veće raspoloživo vrijeme, povoljni su faktori za prijelaz topline. Najveći gubitci u današnjim motorima dešavaju se tokom izgaranja goriva, jer velik dio oslobođene topline zagrijava relativno hladne okolne stijenke. Razlika temperature stijenci koje okružuju volumen izgaranja i maksimalne temperature medija tokom procesa treba biti čim manja. Maksimalnu temperaturu procesa može se smanjiti većom masom zraka, a materijal koji okružuje volumen izgaranja mora podnositi čim je moguće veću radnu temperaturu. Time će ukupan prijelaz topline s medija na stijenke tokom izgaranja biti manji.

Za bolje iskorištenje energije potrebno je i poželjno ostvariti velike omjere kompresije što znači visok tlak na kraju kompresije, a to podrazumijeva i odvijanje procesa na vrlo visokim tlakovima.

Okrugla, cilindrična konstrukcija, u mehaničkom je smislu, najčvršća moguća konstrukcija.

4a) Novi kružni proces (Autor: Branko Krajnović)

Najefikasniji praktično ostvariv toplinski proces može se postići:

ODVOĐENJEM dijela topline smanjivanjem temperature mediju tokom kompresije, čime se umanjuje unutarnja energija mediju u vrijeme kada se nad medijem vrši rad - za što je potrebno rad uložiti.

DOVOĐENJEM topline s povećanjem temperature mediju tokom ekspanzije POVEĆAVA se unutarnja energija mediju ostvarena na kraju kompresije, u vrijeme kada medij vrši rad, - čime se rad dobiva.

Dovođenjem topline TOKOM EKSPANZIJE rad se dobiva i u vrijeme povećanja i u vrijeme umanjenja unutarnje energije medija. U usporedbi sa toplinskim procesima koji se danas najviše koriste ovako vođen proces i teoretski i praktično u jednom okretaju ostvaruje najveći rad. Vrijednost ovog procesa osim navedenog sastoji se i u tome da omogućuje korištenje Carnotovog kružnog procesa na način i u okvirima u kojima se Carnotov proces, praktično i jednostavno može koristiti.

Teoretsku adijabatu ili izotermu u praksi je nemoguće postići, ali je proces naznačen teoretskim okvirima, radi usporedbe praktično izvedenog s idealnim teoretskim vrednovanjem procesa, kao i radi teoretske usporedbe s drugim toplinskim procesima.

Na slici 1 prikazan je teoretski pV dijagram Krajnovićevog kružnog procesa.

1 Početak procesa T1 i p1 stanje okoline

1-2 Izotermna kompresija kod T1 = cons.

2-3 Adijabatska kompresija

3-4 Izobarno potiskivanje medija iz kompr. cilindra u akumulacionu komoru kod p = cons.

4-5 Izobarni prijelaz medija iz komore u ekspanzioni cilindar kod p = cons.

5-6 Izohorno dovođenje topline kod V = cons.

6-7 Izobarno dovođenje topline kod p = cons.

7-8 Izotermno dovođenje topline kod T = cons.

8-1 Adijabatska ekspanzija

Na slici 2 prikazan je pV dijagram praktično izvedivog Krajnovićevog kružnog procesa

Proces počinje u točci 1 stanjem okoline. Proces se vodi komprimiranjem medija u usisno-kompresionom cilindru, uz ODVOĐENJE DIJELA topline mediju tokom kompresije. Kod odabrane temperature i tlaka uspostavlja se veza između kompresionog cilindra i akumulacione komore. U trenutku spajanja tlak u kompresionom cilindru malo je veći od tlaka u akumulacionoj komori. U narednih par stupnjeva okretaja vratila tlak se izjednačava, a medij se utiskuje u akumulacionu komoru. U određenom momentu uspostavljanjem veze, predviđena masa medija pod visokim tlakom, iz komore ekspandira u odgovarajući volumen provrta u rotoru u ekspanzionom cilindru izgaranja-akumulacije. Brz prijelaz medija traje svega nekoliko stupnjeva okretaja vratila (10-15° uz T=cons. i vrlo mali pad tlaka), nakon čega se veza s komorom prekida, a mediju se toplina DOVODI prijelazom dijela topline s vrućih okolnih stijenci, te mu se izohorno povećava tlak i temperatura, PRIJE početka izgaranja. Ubrizgavanjem i paljenjem goriva toplina se dovodi mediju uz - DELTU TEMPERATURE IZGARANJA. Izgaranje goriva - dovođenje topline, odvija se tokom ekspanzije, uz postepeno povećanje volumena. Po završenom izgaranju toplina se mediju dovodi POVRATOM dijela topline s površina koje su preuzele dio topline u vrijeme izgaranja i okreću se zajedno s medijem. Dio topline oslobođene izgaranjem u tim se stijenkama AKUMULIRA.

Ekspanzija se odvija uz dodatno povećanje volumena ekspanzije. Dodatno povećanje volumena ekspanzije može se ostvariti većim gabaritima ekspanzionog cilindra, a može se postići i pogodnim dodavanjem još jednog ekspanziono-ispušnog volumena, čime se može iskoristiti svaka vrijednost tlaka.

1 Početak procesa T1 i p1 stanje okoline

1-2 Kompresija s odvođenjem topline mediju

2-3 Potiskivanje medija iz kompresionog cilindra u akumulacionu komoru

3-4 Ekspanzija medija iz komore u ekspanzioni cilindar

4-5 Dovođenje topline mediju s okolnih stijenci - prijelazom topline

5-6 Politropa dovođenja topline mediju izgaranjem goriva

6-7 Dovođenje topline mediju s okolnih stijenci - povratom topline

7-1 Ekspanzija medija

4b) Akumuliranje topline u SISTEMU

U svim toplinskim procesima toplinu treba DOVODITI i ODVODITI.

Po prijedlogu autora toplinu je u SISTEMU potrebno AKUMULIRATI i akumulaciju ISKORISTITI.

U nekom broju okretaja dovođenjem i izgaranjem goriva toplina se DOVODI i MEDIJU i SISTEMU u kojem se proces odvija. Dio topline oslobođene izgaranjem goriva, koja u motorima s unutarnjim sagorijevanjem neminovno prelazi na stijenke sistema koje okružuju volumen izgaranja, potrebno je AKUMULIRATI u tim STIJENKAMA. Kada se temperatura akumulirane topline u stijenkama SISTEMA koje neposredno okružuju medij u vrijeme izgaranja, približi granici izdržljivosti materijala (u pV dijagramima - hipotetski označena 1000°K), potrebno je tu toplinu početi odvoditi i pri tom ISKORISTITI.

Toplina se najvećim djelom akumulira u stijenkama koje okružuju provrt rotora u kojem se odvija izgaranje, obodnom dijelu mase rotora i unutarnjem djelu obodnog prstena koji su u neposrednom dodiru s medijem, te dijelu bočnih stijenci koje okružuju medij u vrijeme izgaranja.

Iskorištavanje manjeg dijela akumulirane topline sistema

Dio akumulirane topline sistema može se koristiti i u okretajima procesa s izgaranjem goriva prijelazom topline na medij PRIJE početka izgaranja goriva, jer je temperatura medija na kraju kompresije niža od temperature okolnih stijenci u cilindru izgaranja-akumulacije.

4c) Iskorištavanje akumulirane topline u sistemu postiže se Carnotovim kružnim procesom

Najveći dio akumulirane topline iskorištava se kada se temperatura sistema približi granici radne izdržljivosti materijala, tako da se, u nekom broju okretaja prekida dovođenje i izgaranje goriva.

Ovime se zaustavlja daljnji porast temperature sistema. Hlađenje sistema odvija se protokom zraka kroz sistem. ODVOĐENJEM AKUMULIRANE topline iz SISTEMA (materijala) toplina se DOVODI MEDIJU, čime se tokom ekspanzije održava unutarnja energija medija postignuta na kraju kompresije.

Umjesto da se sistem hladi vodom, odvođenje topline iz sistema vrši se zrakom, čime se u okretajima hlađenja sistema NE TROŠI GORIVO, a iskorištavanjem AKUMULIRANE topline SISTEMA - dobiva određeni rad.

Na slici 3 prikazan je teoretski pV dijagram moguće primjene Carnotovog kružnog procesa

1 Početak procesa T1 i p1 = T5 i p5 na slici 1.

Stanje medija u ovoj točci u termodinamičkim proračunima precizno je definirano vrijednostima:

“tlak i temperatura medija na kraju kompresije”.

1-2 Izobarno dovođenje akumulirane topline uz p = cons.

2-3 Izotermna ekspanzija uz T = cons.

3-4 Adijabatska ekspanzija

4-5 Identično procesu s izgaranjem 1-2 slika 1

5-6 Identično procesu s izgaranjem 2-3 slika 1

6-7 Identično procesu s izgaranjem 3-4 slika 1

7-1 Identično procesu s izgaranjem 4-5 slika 1

Na slici 4 prikazan je praktični pV dijagram u okretajima iskorištavanja akumulirane topline sistema Carnotovim kružnim procesom.

Dobivanje rada u ovim okretajima neostvarivo je bez odvijanja procesa s dovođenjem i izgaranjem goriva (slika 2), pri čemu se dio topline akumulirao u sistemu, pa proces odvođenja topline iz sistema, počinje u točci promjene načina vođenja procesa nedovođenjem i neizgaranjem goriva (slika 4, točka 1).

1 Početak procesa T1 i p1 = T4 i p4 na slici 2

1-2 Dovođenje topline - prijelazom topline uz deltu V

2-3 Dovođenje topline - prijelazom topline uz deltu T

3-4 Ekspanzija medija

4-5 Identično procesu s izgaranjem 1-2 na slici 2

5-6 Identično procesu s izgaranjem 2-3 na slici 2

6-1 Identično procesu s izgaranjem 3-4 na slici 2

Veće dobivanje rada u ovim okretajima, osim o masi zraka, ovisi o čim većoj temperaturi akumulirane topline, čim većem tlaku i temperaturi zraka na kraju kompresije, koju je tokom ekspanzije - prijelazom topline sa okolnih stijenci na medij, potrebno čim duže održati.

U teoretskom Ottovom procesu dovođenje topline mediju odvija se kod konstantnog volumena. U Dieselovom teoretskom procesu kod konstantnog tlaka. U Sabhateovom teoretskom procesu toplina se dijelom dovodi kod konstantnog volumena, a dijelom kod konstantnog tlaka.

Poznato je da u realnim procesima to nije tako.

Na ovaj način praktično iskorišten Carnotov proces (kao realan proces) također se neće odvijati uz konstantne temperature, ali će iskorištenje energije ipak biti najveće.

Kada se sistem u području izgaranja ohladi na predviđenu temperaturu, ponovo se dovodi toplina i mediju i sistemu - dovođenjem i izgaranjem goriva, i tako se naizmjence u ISTOM SISTEMU TOPLINA MEDIJU u nekom broju okretaja (1 ili više) DOVODI izgaranjem goriva, a u nekom broju okretaja prijelazom topline tj. iskorištavanjem akumulirane topline sistema.

Naizmjeničnim odvijanjem Krajnovićevog procesa (koji u jednom okretaju ostvaruje najveći rad) i Carnotovog procesa (koji u narednom okretaju ostvaruje rad iskorištavanjem akumuliranog dijela topline uvedene u prethodnom okretaju), postiže se najefikasniji toplinski proces.

U okretajima u kojima se dovodi i izgara gorivo ostvaruje se veći rad, veće sile pa njima i veći okretni moment, nego u okretajima hlađenja sistema. Za bolje ujednačavanje okretnog momenta na istom vratilu mogu raditi DVA ili VIŠE SISTEMA. Ovdje je najvažnije naglasiti da se time oba načina dovođenja topline mogu odvijati ISTOVREMENO. Dok se u PRVOM sistemu DOVODI toplina, (u nekom broju okretaja ubrizgava i izgara gorivo) za dobivanje “velikog rada”, istovremeno se u DRUGOM sistemu na istom vratilu ODVODI toplina (ne dovođenjem goriva), uz dobivanje “malog rada” i tako naizmjence. Ovakvim načinom mogu se voditi procesi kod višesistemskih motora većih gabarita, kod kojih postoje zahtjevi za izuzetno velikom snagom i okretnim momentom, (brodski motori itd.).

Proces se u JEDNOM sistemu vodi UČESTALIM naizmjeničnim dovođenjem i odvođenjem topline u manjem rasponu temperature okolnih stijenci, (1 okretaj dovođenja topline sistemu i 1 okretaj odvođenja topline iz sistema), a ujednačavanje okretnog momenta obavit će zamašnjak.

Ovakvim vođenjem procesa moguće je bolje iskorištenje onog dijela topline (energije) koji se u današnjim konstrukcijama odvodi vodom. (oko 30%)

Izoliranjem sistema od okoline bolje će se iskoristiti dio topline koji se danas gubi zračenjem (oko 5%).

Sistem može biti izveden s jednim ekspanzionim cilindrom pri čemu se u njemu treba predvidjeti ispušni otvor. Volumen ekspanzionog cilindra konstrukcijski (gabaritima) može biti veći od volumena usisno-kompresionog cilindra. Zbog ugradnje ispušnog otvora, (u jedan ili oba bočna zida), smanjuje se volumen i vrijeme ekspanzije, pa bi izgaranje trebalo započeti čim ranije u vrijeme male početne promjene volumena. Primjenom veće mase medija u procesu, kao i dužeg vremena izgaranja, unatoč povećanom ekspanzionom volumenu, odvijanje procesa, moglo bi završiti određenim gubitkom temperature i tlaka na početku ispuha.

Ovaj gubitak tlaka može se izbjeći pogodnim dodavanjem DODATNOG ekspanziono-ispušnog cilindra čime početak izgaranja može početi kasnije kod većeg prirasta volumena, a izgaranje može trajati duže. Zbog dodatnog prebacivanja medija u taj dodatni ekspanzioni cilindar ova varijanta je složenija, pa će u daljnjem tekstu proces biti opisan u izvedbi s dva ekspanziona cilindra.

Na slici 5 (strana 8/11) vizualno je prikazana izolacija jednog sistema. Na slici su prikazana od okoline izolirana dva volumenom identična ekspanziona cilindra. Prvi ekspanzioni cilindar u kojem se odvija izgaranje nazvan je cilindar izgaranja-akumulacije, a drugi ekspanziono-ispušni cilindar.

1. Usisno-kompresioni cilindar

AK. Akumulaciona komora

2. Ekspanzioni cilindar izgaranja-akumulacije

3. Ekspanziono-ispušni cilindar

4. Toplinska i zvučna izolacija ekspanzionih cilindara od okoline

5. Vratilo

Toplinski uvjeti za odvijanje procesa

Usisno-kompresioni cilindar zbog prolaza topline konstrukcijski je odvojen i izoliran od ostalog dijela konstrukcije. Ovaj cilindar izložen je izmjeni topline s okolinom. Stijenke cilindra mogu se zračno hladiti ventilatorom, a u slučaju potrebe intenzivnijeg hlađenja, toplina iz stijenci ovog cilindra može se odvoditi vodenim hlađenjem. Toplina u stijenkama ovog cilindra nastaje prijelazom dijela topline s medija kojem uslijed kompresije temperatura raste i ta toplina nije dovedena gorivom. Ovu toplinu potrebno je odvoditi.

Za vršenje kompresije treba uložiti rad koji se dobiva korištenjem topline (energije) goriva.

Niskom temperaturom okolnih stijenci ovog cilindra, polaganijom promjenom volumena tokom usisa, te manjom brzinom medija prilikom usisa, temperatura medija na kraju usisa tj. na početku kompresije, neće bitno porasti u odnosu na temperaturu okoline, čime će i usisana masa medija biti veća.

Uslijed polaganije promjene volumena tokom kompresije, u uskom volumenu, koji okružuju velike površine odvođenja topline, te mnogo većeg vremena trajanja kompresije, koja se odvija na dužem putu, okretanjem vratila većim od 180°, prosječni eksponent politrope kompresije bit će manji, pa se kompresiju može i mora vršiti duže, čime se do potrebne temperature dolazi velikim omjerom kompresije. Time se postiže mnogo veći tlak na kraju kompresije, odnosno na početku izgaranja. Postizanje najpovoljnijeg prosječnog eksponenta tokom kompresije, glavni je zadatak za ostvarenje odličnih rezultata u ovoj konstrukciji. Takav eksponent treba postići adekvatnim odvođenjem topline iz medija tokom kompresije.

Obzirom da konstrukcija nije ispitana, ne postoje mjerene temperaturne vrijednosti akumuliranja i prijelaza topline. Zbog ušteda koje je moguće ostvariti, potrebno je utvrditi optimalnu temperaturu medija na kraju kompresije. Ukoliko bi, prijelaz topline sa stijenki na medij u ekspanzionom cilindru u početnim stupnjevima ekspanzije izostao (?), kompresiju je i uz hlađenje moguće, velikim omjerom kompresije, vršiti do uobičajeno visokih temperatura na kraju kompresije. (U tom bi slučaju i pV dijagrame trebalo malo korigirati.) Ukoliko prijelaz topline u provrtu rotora u ekspanzionom cilindru bude očekivano dovoljno intenzivan, kompresiju se može završiti tako da temperatura medija na kraju kompresije u kompresionom cilindru bude nešto niža od uobičajene.

Ekspanzioni cilindar izgaranja-akumulacije konstrukcijski je IZOLIRAN od OKOLINE, čime je spriječeno odvođenje topline zračenjem, a odvojen je i izoliran i od usisno-kompresionog cilindra. Time je smanjen prolaz topline i na usisno-kompresioni cilindar kojeg je potrebno hladiti. Tokom rada motora stijenke koje okružuju volumen provrta u rotoru kao i velike oble površine rotora i prstena u cilindru izgaranja-akumulacije akumulirat će dio oslobođene topline prilikom izgaranja i postajati sve toplije. Temperatura ove akumulirane topline u materijalu trebala bi biti nekoliko stotina stupnjeva veća od temperature medija na kraju kompresije.

U praktičnoj izvedbi ovog cilindra poželjno je primjeniti višeslojne materijale razne provodivosti topline kako bi se u sloju koji je u dodiru s medijem akumulirala najveća toplina i usporio prolaz topline prema ostalim dijelovima konstrukcije. Stijenke volumena provrta u kojem se vrši izgaranje mogle bi biti napravljene od materijala koji podnosi i stotinjak stupnjeva veću temperaturu akumulacije (keramika).

DODATNO dovođenje topline mediju PRIJE početka izgaranja i na samom početku ekspanzije postizat će se čim se sistem zagrije. Tim dovođenjem topline dodatno se povećava unutarnja energija mediju, ali u vrijeme kada medij počinje vršiti rad. Promjena volumena u ekspanzionom cilindru u tim stupnjevima je vrlo mala. Toplina se dovodi mediju u vrućem volumenu provrta u rotoru, u ekspanzionom cilindru izgaranja-akumulacije. Stijenke volumena provrta izuzetno su vruče jer se izgaranje goriva odvija u tom volumenu, pa se prijelazom topline dodatno podiže temperatura i tlak, a okolne stijenke kao i stijenke volumena provrta u nekoj se mjeri hlade. Ovaj dio sistema termički je najtopliji dio sistema, a veći prijelaz topline u provrtu može se pospješiti i turbulencijom medija.

Ovime se dio akumulirane topline u stijenkama sistema može iskoristiti za manje uloženog rada.

Na slici 6 (lijevo) iscrtkanom kružnicom naznačen je prijelaz topline s medija na stijenke u vrijeme izgaranja u cilindru izgaranja-akumulacije. Ovaj dio topline akumulira se u okolnim stijenkama i koristi na više načina. Sivim strelicama na obje sheme naznačeni su prijelazi topline sa stijenki na medij. Na slici 6 (desno) prikazan je prijelaz topline s medija na stijenke i obratno u današnjim klipnim konstrukcijama. Odvedena toplina u današnjim konstrukcijama ne akumulira se i ne koristi.

Akumuliranu toplinu u cilindru izgaranja-akumulacije moguće je višestruko koristiti. Odvođenje topline akumulirane u stijenkama ovog cilindra vrši se prijelazom - povratom topline sa stijenki na medij čime se:

1. dovodi toplinu mediju prije početka izgaranja,

2. ne odvodi toplinu mediju u samom početku izgaranja,

3. smanjuje ukupan prijelaz topline s medija na stijenke u vrijeme izgaranja,

4. ubrzava proces izgaranja,

5. vraća dio topline mediju po završenom izgaranju.

6. dovodi toplinu mediju u okretajima hlađenja sistema, kada nema izgaranja goriva.

Akumulirana toplina može se koristiti djelom za manje uloženog, a djelom za više dobivenog rada.

Veće iskorištenje energije može se postići boljim iskorištenjem topline izgorjelih plinova.

U klipnim konstrukcijama ovaj gubitak također odnosi više od 30% uvedene energije.

Temperatura izgorjelih plinova u trenutku IO (ispuh otvoren) u klipnim konstrukcijama kreće se oko 1000°K. Visoku temperaturu izgorjelih plinova moguće je iskoristiti drugačijom ekspanzijom no što to omogućuje klipna konstrukcija. U klipnoj konstrukciji smjer sile i krak sile pri kraju ekspanzije previše su nepovoljni da bi mogli iskoristiti relativno nizak tlak.

U rotacionoj konstrukciji, zbog konstantnog idealnog smjera i kraka sile, povećanjem ekspanzionog volumena pogodnim dodavanjem dodatnog ekspanziono-ispušnog volumena može se postići “proširena” i “produžena” ekspanzija, čime se može koristiti temperatura izgorjelih plinova i maksimalno iskoristiti relativno nizak tlak, za dobivanje rada.

Ekspanziono-ispušni cilindar smješten je uz cilindar izgaranja-akumulacije i zajedno s njim izoliran je od okoline.

Svrha mu je povećati ekspanzioni volumen tokom ekspanzije i spriječiti direktno odvođenje topline izgorjelim plinovima iz cilindra izgaranja-akumulacije u okolinu. Ovakvo proširenje i produženje ekspanzionog volumena omogućuje da se mediju toplina dovodi kasnijim početkom izgaranja kod većeg prirasta volumena. Dodatni ekspanziono-ispušni volumen potreban je i kako bi se omogućila čim veća akumulacija topline u stijenkama cilindra izgaranja-akumulacije, a toplina duže zadržala u sistemu. Ovime se visoka temperatura akumulirane topline koncentrira na manje područje čime je moguće postići bržu akumulaciju.

Kako bi konstrukciju tek trebalo termički ispitati, mjereni podaci mogli bi ukazati i na druge mogućnosti.

Dodatni ekspanziono-ispušni cilindar daje teoretsku mogućnost podešavanja gabaritima i volumena cilindra izgaranja-akumulacije.

Spajanje dodatnog ekspanziono-ispušnog volumena moguće je izvesti u najpogodnijem trenutku.

U ovoj konstrukciji gabariti pa time i volumeni svih cilindara mogu biti uzajamno različiti.

Na prikazanim slikama dimenzije svih cilindara su identične pa je i zapremina u svim cilindrima gotovo identična. Razlikuju se samo u volumenima provrta.

Zakretanjem kućišta oni se mogu spojiti u najpogodnijim momentima, a kako bi se postiglo postepeno povećanje volumena, potiskivač (5/3) mora biti na svom početnom stupnju.

Na slici 7 prikazan je način spajanja:

ekspanzionog cilindra izgaranja-akumulacije (potiskivač 5/2 na svom 180°) s

ekspanzionim cilindrom ekspanzije - ispuha (potiskivač 5/3 na svom 0°).

Potiskivači se uzajamno poklapaju, a kućišta su zakrenuta i fiksirana za 180°

U početnom razmatranju spajanje volumena izvršeno je na navedenim stupnjevima.

Na slici 8 stiliziranim površinama vizualno su prikazani ti isti volumeni po PRIRASTU (delta volumena - ovisna o kutu alfa - prikazana površinom).

Ovakvim prikazom volumena lakše je predočiti spajanje dvaju ekspanzionih volumena.

Na putu označenom s = 180° istovremeno se odvija ekspanzija u dva cilindra uz konstantan idealan smjer sile, konstantan krak sile, konstantan prirast volumena ili konstantnu površinu (a) dvaju potiskivača (5/2 i 5/3), visoka temperatura plinova izgaranja usporavati će pad tlaka i svaka će vrijednost tlaka biti iskorištena za dobivanje rada.

4d) Mehanička konstrukcija rotacionog motora s unutarnjim sagorijevanjem

Predmet izuma je konstrukcija rotacionog motora s unutarnjim sagorijevanjem koja na istom vratilu ima usisno-kompresioni cilindar i najmanje jedan, a može imati (u daljnjem tekstu opisana) i dva ekspanziona cilindra. U usisno-kompresionom cilindru odvijaju se usis i kompresija. Između usisno-kompresionog cilindra i cilindra izgaranja-akumulacije stacionarno je smještena akumulaciona komora. U prvom ekspanzionom cilindru tokom ekspanzije odvija se izgaranje goriva i akumulacija dijela oslobođene topline. Drugi ekspanzioni cilindar je dodatni cilindar ekspanzije-ispuha. Taktovi koji se odvijaju u volumenima svih cilindara odvijaju se istovremeno.

U statore sva tri cilindra smješteni su rotirajući kongruentni i koaksijalni: prsteni, rotori i potiskivači. Svaki cilindar ima obodni dio kućišta (1) (slike 9 i 10) u čijem je geometrijskom središtu svojim geometrijskim središtem smješten obodni prsten (2). Svaki cilindar ima rotor (3) koji je ekscentrično smješten u odnosu na geometrijsko središte kućišta i prstena, a u svom geometrijskom središtu fiksno je vezan na vratilo (4). Rotor i prsten tako su postavljeni da se u jednoj točci (0) stalno dodiruju, a povezani su radijalno pokretnim potiskivačem (5), koji je s jedne strane umetnut u raspor rotora, a s druge strane zglobno postavljen u kružno oblikovani otvor u prstenu. Na taj način potiskivač u svakom cilindru tvori dva promjenjiva volumena. Obzirom na smjer vrtnje volumen ispred sebe (A) i volumen iza sebe (B). Svaki cilindar sadrži i bočne stijenke (9) centrirane s obodnim kućištem pa zajedno formiraju zatvoreni volumen u statoru. U bočnim stijenkama ugrađeni su ležajevi (10) u koje je uležajeno vratilo (4), a u te stijenke smješteni su i otvori za usis (6), ispuh (12) ili prestrujavanje medija (11). Dodirna točka rotora i prstena (0) označena je i 0° kao početnim stupnjem okretanja potiskivača, kao i 0° kućišta u odnosu na rotirajuće dijelove, odnosno uzajaman položaj u odnosu na druga dva kućišta. 0° prvog kućišta usisno-kompresionog cilindra i 0° drugog kućišta izgaranja-akumulacije uzajamno se poklapaju (slika 18).

Treće kućište ekspanziono-ispušnog cilindra zakrenuto je i fiksirano za kut od 180° u odnosu na kućišta prethodna dva cilindra. Ako se u prvom cilindru potiskivač nalazi na svom početnom 0°, potiskivač u drugom kućištu zakrenut je za 180° i nalazi se na svom 180°. Treći potiskivač usporedan je s potiskivačem u drugom cilindru jer je u odnosu na potiskivač u prvom cilindru također zakrenut za 180°, ali se treći potiskivač u tom momentu, obzirom da mu je zakrenuto i kućište, nalazi na svom početnom 0° (slike 17 i 18).

Rotirajući dijelovi tokom okretanja naliježu nepropusno na unutarnje stijenke cilindričnog kućišta kao i na bočne stijenke kućišta. Radi smanjenja obodnog trenja prstena i obodnog djela kućišta ugrađeni su cilindrični valjci (8) uležajeni u bočnim stijenkama u uglovima obodnog kućišta.

To su glavni dijelovi svakog cilindra.

Oni su identični u svim cilindrima, a razlikuju se u provrtima i kanalima za protok medija.

Ove će razlike biti posebno opisane te vizualno prikazane i u 3D.

Na slici 9 potiskivač se nalazi na 180° radi prikaza volumena A i B.

Na slici 10 prikazano je spajanje provrta u rotoru (7) i segmentnog provrta u bočnoj stjenci (11), pa se potiskivač nalazi u drugom položaju.

Na slici 11 pojednostavljeno su trodimenzionalno prikazani rotirajući dijelovi svakog cilindra: prsten (2), rotor (3) fiksno vezan na vratilo (4), potiskivač (5) i obodni valjci (8).

Protok medija i brtvenje konstrukcije

U ovoj rotacionoj konstrukciji nema ventila pa protok medija kroz sistem osiguravaju provrti u rotorima, segmentni žljebovi u rotorima i segmentni provrti u bočnim stijenkama.

Samobrtvenje “dodirne točke”, zbog zakrivljenog volumena i pogodno obrađenih oblih ploha rotora i prstena, može se postići turbulencijom medija. Brtvenje obodnog prstena (osim klasičnog načina brtvenja karikama), može se postići lavirintnom-bezdodirnom izvedbom bočnih površina, te također turbulencijom medija postići samobrtvenje. Brtvenje provrta u rotorima i provrta u bočnim stijenkama vrši se samim površinama i karikama smještenim u bočnim stijenkama.

Rotori

U rotorima su pod određenim kutem probušeni provrti (7) s bočne u obodnu stranu rotora (slika 12). Provrti u rotorima imaju zadatak prebacivanja medija s čeone strane rotora u bočnu stranu ili obratno. Rotiranjem rotora u točno određenim momentima uspostavlja se ili prekida veza provrta (ili segmentnih žljebova) u rotoru sa segmentnim provrtima u bočnim stijenkama (slika 15), te se tako uspostavlja ili prekida veza među volumenima kroz koje se vrši protok medija. Svi provrti i žljebovi moraju biti adekvatno dimenzionirani i glatki kako bi pružali čim manji otpor protoku medija.

Razlike među provrtima u rotorima prema njihovim zadacima, izvedbi i smještaju

U rotoru usisno-kompresionog cilindra smješten je jedan provrt (na crtežima označen 1R - prvi rotor) neposredno ispred potiskivača u smjeru vrtnje (slike 12). U tom provrtu po završenom potiskivanju medija u komoru, ostat će određena količina medija pod visokim tlakom koja će u daljnjem okretanju, kad obodni otvor provrta prijeđe na usisnu stranu, preko dodirne točke 0 (slike 9 i 10) ekspandirati u usisni volumen ispred potiskivača i pospješiti “punjenje” usisnog volumena većom masom medija i u predvidivoj mjeri podići početni tlak (slika 16 f). Ovaj rotor smješten je između bočnih stijenki I i II.

U rotoru cilindra izgaranja-akumulacije smještena su dva provrta (slika 13). Obzirom na smjer vrtnje smješteni su jedan ispred, a drugi iza potiskivača. Provrt iza potiskivača u rotoru u cilindru izgaranja-akumulacije (na crtežima označen 2R/B - drugi rotor, volumen iza potiskivača - B), ima cilindričan oblik i probušen je paralelno s obodnom plohom rotora. Ovaj paralelan provrt ima zadatak periodičnog spajanja segmentnih volumena u objim bočnim stijenkama (III i IV). Volumen cilindričnog provrta spojen je dodatnim obodnim provrtom pa zajedno imaju oblik slova T (slika 13/2). Rotor je smješten između bočnih stijenci III i IV (slika 15). U određenom momentu provrt 2R/B uspostavlja vezu sa segmentnim provrtom u bočnoj stijenci III pa medij iz komore ekspandira u provrt 2R/B u početnim stupnjevima ekspanzije. U provrtu 2R/B odvija se izgaranje goriva kao u glavnom volumenu izgaranja. Stijenke koje okružuju ovaj provrt moraju biti napravljene od materijala koji mogu podnijeti visoku temperaturu akumulacije.

Po završenom izgaranju, tokom ekspanzije, u predviđenom momentu provrt 2R/B spaja se na segmentni provrt IV/B na bočnom zidu IV i uspostavlja vezu sa provrtom 3R/B pa medij ekspandira i u cilindar ekspanzije-ispuha (slika 17e). Provrt iza potiskivača u rotoru cilindra izgaranja-akumulacije 2R/B spaja volumene višeg tlaka uspostavom veze s provrtom iza potiskivača u rotoru cilindra ekspanzije-ispuha u trajanju 180° okretaja vratila. Provrt ispred potiskivača u rotoru cilindra izgaranja-akumulacije (na crtežima označen 2R/A) ima zadatak uspostave veze volumena niskog tlaka uspostavom veze s provrtom ispred potiskivača u cilindru ekspanzije-ispuha. Provrt je spojen s čeone strane u bočnu stijenku rotora u kojoj je izveden segmentni žlijeb (slika 13). Segmentni provrti izvedeni su na predviđenim mjestima u pregradnoj stijenci IV za spajanje volumena između ova dva cilindra. Pregradna stijenka (IV) između ova dva cilindra je zajednička (slike 15 i 18). Ovakvom izvedbom kanala volumeni niskog tlaka u cilindrima spojeni su 360° okretaja vratila čime je osiguran kontinuiran ispuh.

U rotoru cilindra ekspanzije-ispuha smještena su također dva provrta.

Provrt iza potiskivača (3R/B) u rotoru u cilindru ekspanzije-ispuha izveden je kao i provrt 1R i prikazan je na slici 14. Zadatak ovog provrta je spajanje volumena za protok medija višeg tlaka s cilindrom izgaranja-akumulacije. Obodni provrt ispred potiskivača (3R/A) u rotoru ekspanzije-ispuha smješten je 180° unaprijed povezan segmentnim žlijebom u bočnoj stijenci rotora kako je prikazano na slici 14. i zadatak mu je spajanje volumena niskog tlaka ispušnih plinova. Ova veza putem segmentnog provrta u bočnoj stijenci također je uspostavljena u svih 360° okretaja vratila.

Bočne stijenke

Na slici 15 prikazane su bočne stijenke označene I - V redoslijedom protoka medija. Iscrtkanim linijama prikazani su volumeni koje rotori i prsteni formiraju uz te stijenke. Stijenke I i II okružuju kompresioni volumen. U njima su izrađeni usisni otvori (6). U stijenci II izveden je segmentni provrt kroz koji se potiskuje medij na kraju kompresije u akumulacionu komoru. Ovaj provrt u daljnjem tekstu bit će označen ( II ). Između stijenci II i III vizualno je prikazan smještaj cilindrične akumulacione komore. Stijenke III i IV okružuju ekspanzioni volumen izgaranja-akumulacije. U stijenci III izveden je segmentni provrt ( III ) kroz koji medij ekspandira iz komore u volumen provrta u rotoru 2R/B. Između stijenci IV i V formiran je volumen ekspanzije-ispuha pa je stijenka IV zajednička i veća od ostalih. Iscrtkane linije na stijenci IV prikazuju volumene koji se formiraju s obje strane stijenke. U stijenci IV izvedena su dva segmentna provrta. Segmentni provrt za uspostavu veze volumena iza potiskivača označen IV/B i segmentni provrt za uspostavu veze volumena ispred potiskivača označen IV/A. Stijenka V zajedno sa svojim obodnim kućištem zakrenuta je za 180° i u njoj je izveden ispušni otvor (12).

Odvijanje procesa

Radi preglednosti, maksimalno su pojednostavljeni crteži koji prikazuju geometrijsku promjenu volumena i tok medija kroz provrte u karakterističnim položajima potiskivača u svim radnim volumenima. Termički dio vođenja procesa ranije je uglavnom već opisan.

Odvijanje procesa u usisno-kompresionom cilindru.

Na slikama 16 prikazana je promjena volumena samo u usisno-kompresionom cilindru. Kako se kompresija vrši u akumulacionu komoru ostali volumeni ovdje nisu prikazani. Na slikama 16 prikazani su jedan preko drugog usisni otvori (6), kao i segmentni provrt II u bočnoj stijenci II (slika 15), kroz koji se vrši potiskivanje medija u akumulacionu komoru. Potiskivač u usisno-kompresionom cilindru (5/1) pomaknut je u odnosu na potiskivače u ekspanzionim cilindrima (5/2 i 5/3) za 180°. (slika 18)

Na slici 16a prikazan je potiskivač (5/1) u usisno-kompresionom cilindru na svom 90° na početku kompresije u momentu USIS ZATVOREN. Potiskivač počinje komprimirati medij u volumenu (A) ispred sebe, a istovremeno u volumen iza sebe (B) kroz usisne otvore (6) u bočnim stijenkama I i II pottlakom se usisava medij za novi ciklus tokom svih 360° okretaja vratila (slika16 a, b, c, d, e, f).

Koristeći inerciju medija usis traje 360° okretaja vratila (rotacijom potiskivača (5/1) od 90°- 90°).

Kompresija medija traje do određene temperature i tlaka kada se uspostavlja veza provrta 1R u kompresionom rotoru sa segmentnim provrtom u bočnoj stijenci II. S druge strane bočne stijenke II (slika 15) uz usisno-kompresioni cilindar stacionarno je smještena akumulaciona komora. Početak segmentnog provrta u bočnoj stijenci II može se izraditi na željenom stupnju okretanja, što znači da se dužina segmentnog provrta može prilagoditi potrebama. Početak potiskivanja komprimiranog medija u akumulacionu komoru prikazan je na slici 16d. U volumenu segmentnog provrta u bočnoj stijenci II koji je u stalnoj vezi s volumenom komore, u trenutku spajanja s provrtom u rotoru 1R, tlak je isti kao i tlak u komori, ali malo niži - no u provrtu 1R usisno-kompresionog rotora. Tlak se u narednih par stupnjeva izjednačuje, a potom se nastavlja potiskivanje medija u komoru uz konstantan tlak i temperaturu.

Na slici 16e završeno je potiskivanje medija u komoru i prekinuta je veza između provrta. Ova veza mora biti prekinuta prije no što obodni izlaz provrta 1R prijeđe preko dodirne točke 0 kako se ne bi obodno uspostavila veza volumena visokog tlaka s usisnim volumenom niskog tlaka. Količina medija koja je ostala u provrtu 1R pod tlakom kompresije, ekspandirat će u usisnu stranu ispred potiskivača čim obodni izlaz provrta prijeđe dodirnu točku 0 i u predvidivoj mjeri povećati početnu masu i početni tlak medija (slika 16f). Kada potiskivač na svom 90° ponovo prijeđe usisni otvor i zatvori medij ispred sebe započinje novi okretaj kompresije ispred potiskivača i usisa iza potiskivača.

Akumulaciona komora je neophodna iz više razloga. Punjenje volumena provrta 2R/B u rotoru cilindra izgaranja-akumulacije vrši se po uspostavi veze s komorom gotovo trenutno, ekspanzijom medija u taj volumen, jer se medij u komori nalazi pod visokim tlakom. Adekvatnim volumenom ove komore postiže se vrlo mali pad tlaka tokom “punjenja”. Kako bi se čim više smanjio prolaz topline kroz stijenke, sa dijela sistema koji akumulira toplinu na usisno-kompresioni cilindar, kojeg je potrebno izvana hladiti, najjednostavnije i najefikasnije je da usisno-kompresioni cilindar bude odmaknut, pa je akumulaciona komora neophodna. Zadatak ove akumulacione komore je akumulirati određenu količinu medija pod visokim tlakom i temperaturom. Akumulaciona komora u stalnoj je vezi sa segmentnim otvorima u bočnim stijenkama II i III, tj. volumeni ovih segmentnih provrta ulaze u proračun volumena komore. Veza se uspostavlja i prekida u pogodnim (predviđenim) momentima uspostavom veze segmentnih otvora s provrtima u rotorima kako cilindra kompresije tako i cilindra ekspanzije. Akumulaciona komora također je termički izolirana od okoline.

Odvijanje procesa u cilindru izgaranja-akumulacije

Na slikama 17 istovremeno su prikazani segmentni provrti u stijenkama III i IV (slika 15).

Istovremeno su (nivoima) prikazani i provrti u oba ekspanziona rotora i momenti njihovog uzajamnog spajanja. Kućište ekspanziono-ispušnog cilindra zakrenuto je za 180° u odnosu na kućišta druga dva cilindra. Tamnijom nijansom označeni su volumeni većeg tlaka, a svjetlijom manjeg.

Na slici 17a potiskivač u cilindru izgaranja-akumulacije (5/2) nalazi se na svom početnom stupnju. Istovremeno se u kućištu ekspanzije-ispuha potiskivač (5/3) nalazi na svom 180° jer se potiskivači stalno uzajamno poklapaju. Provrti u rotorima iza potiskivača ( 2R/B i 3R/B ) također se stalno poklapaju, a veza među njima uspostavlja se segmentnim provrtom IV/B u bočnoj stijenci IV.

Na slici 17b prikazan je moment uspostave veze provrta izgaranja 2R/B sa segmentnim provrtom III u bočnoj stijenci III. Komprimirani medij visokog tlaka iz komore, u pogodnom momentu, kroz segmentni provrt u bočnoj stijenci III u trenutku uspostave veze s provrtom 2R/B u rotoru ekspanzionog cilindra izgaranja-akumulacije, naglo ekspandira u vrući volumen provrta 2R/B. Najpogodniji moment uspostavljanja veze komore i volumena provrta 2R/B u cilindru izgaranja-akumulacije je dok se obodni otvor provrta 2R/B u rotoru nalazi još nekoliko stupnjeva na ispušnoj strani, dakle prije no što je obodni otvor prešao dodirnu točku (0). Time se vrši ispiranje provrta od izgorjelih ispušnih plinova iz prethodnog okretaja, pa će ti plinovi biti istisnuti u ispušnu stranu (slika 17b). Tako se postiže odličan volumetrijski stupanj punjenja. Punjenje provrta 2R/B u rotoru cilindra izgaranja-akumulacije završeno je već nakon nekoliko stupnjeva okretaja rotora, prekida se veza sa segmentnim provrtom u bočnoj stijenci III pa time i sa komorom (slika 17c). Prekidom veze omogućuje se prijelaz topline s vrućih okolnih površina i porast temperature i tlaka medija u početku ekspanzije u vrijeme vrlo male promjene volumena, a bez da to povećanje tlaka ima utjecaj na tlak u komori. U provrt rotora 2R/B, koji je i glavni volumen izgaranja, kroz bočnu stijenku ili komoru ubrizgava se gorivo u prvim stupnjevima ekspanzije. Ovo ubrizgavanje može se izvršiti istovremeno s punjenjem provrta medijem ili neposredno nakon toga. Samopaljenjem ili svjećicom započinje njegovo izgaranje. Po završenom izgaranju goriva dio topline s velikih okolnih površina, koje su preuzele dio topline u vrijeme izgaranja, okrećući se zajedno s medijem, vračaju dio te topline mediju, a zatim se u pogodnom momentu uspostavlja veza s ekspanziono-ispušnim cilindrom te počinje proširena ekspanzija.

Slika 17d prikazuje ekspanzioni cilindar izgaranja-akumulacije u vrijeme izgaranja - dovođenja topline.

Odvijanje procesa u cilindru ekspanzije-ispuha

Pregradna stijenka IV između dvaju ekspanzionih cilindara je zajednička (slika 15). U određenom momentu provrtima i kanalima uspostavlja se veza volumena višeg tlaka - iza potiskivača. Crtežima je prikazano spajanje ovih volumena u momentu kada se potiskivač u cilindru izgaranja-akumulacije (5/2) nalazi na svom 180° (slika 17e). U tom momentu potiskivač u cilindru ekspanzije-ispuha (5/3) nalazi se na svom početnom stupnju jer su kućišta uzajamno zakrenuta za 180°. Zakretanjem kućišta ekspanziono-ispušnog cilindra spajanje volumena može se izvršiti i u nekom drugom momentu, a potiskivač u ekspanziono-ispušnom cilindru (5/3) mora u trenutku spajanja biti na svom početnom stupnju kako bi povećanje volumena bilo postepeno. U ovim opisima i shematskim prikazima nije uzeta u obzir debljina potiskivača, pa će kućište ekspanziono-ispušnog cilindra u realnoj izvedbi biti zakrenuto oko 170°.

Na slici 17e prikazan je momenat spajanja provrta 2R/B sa segmentnim provrtom u bočnoj stijenci IV/B kroz koji medij prestrujava u provrt rotora 3R/B iza potiskivača (5/3) u ekspanziono-ispušnom cilindru, koji se u tom času nalazi na svom početnom stupnju, pa se ekspanzija nastavlja istovremeno u oba ekspanziona cilindra kako je tamnijom nijansom prikazano na slici 17f. U tom času u cilindru izgaranja-akumulacije započinje novi ciklus dovođenja medija u volumen izgaranja 2R/B, a u ekspanziono-ispušnom cilindru iza potiskivača ekspanzija traje do momenta IO. Volumeni ispred obaju potiskivača s niskim tlakom spojeni su stalno s ispušnim otvorom tokom svih 360° okretaja vratila. Ispušni otvor (12) u bočnoj stijenci V (slika 15), naznačen je iscrtkanim linijama samo na slikama 17a i 17f, ali se taj otvor stalno nalazi na istoj poziciji i radi preglednosti nije nacrtan na svim slikama.

Na slici 18 prikazani su volumeni tri radna cilindra, akumulaciona komora, bočne stijenke i potiskivači: 1. Usisno-kompresioni cilindar, AK. Akumulaciona komora 2. Ekspanzioni cilindar izgaranja-akumulacije 3. Ekspanziono-ispušni cilindar. Volumeni segmentnih provrta II i III u stalnoj su uzajamnoj vezi s akumulacionom komorom AK i zajedno čine volumen akumulacione komore. Segmentni provrti u bočnim stijenkama IV/A i IV/B uspostavljaju vezu s volumenima provrta u rotorima u određenim momentima. Iscrtkanim linijama prikazani su potiskivači (5/1, 5/2 i 5/3) u uzajamnim položajima.

Svi crteži bitno su pojednostavljeni u namjeri da se najjednostavnije prikaže osnovna ideja rada motora. Nedostaju mnogi detalji koji shematske prikaze kompliciraju i čine nejasnim. Širine rotora razlikuju se na slikama 10 i 18. Radi jednostavnije strojne obrade utora u rotorima kao i ovih prikaza i opisa rada motora, rotori su prikazani u nedovršenom obliku. U realnoj izvedbi oni su širi od potiskivača jer im se s bočne strane prije izrade provrta dodaje ploča koja brtvi utor rotora kako bi se onemogučila veza sa segmentnim provrtima u bočnim stijenkama. Na slici 19 prikazana je bočna stijenka rotora s jednostrano dodanom pločom i naznačenom pozicijom karika.

Termodinamički proračuni

Vrijednosti tlaka i temperature koje se postižu na kraju kompresije u Ottovom procesu u današnjim klipnim konstrukcijama prikazane su na slikama 20 i 21.

Na slici 20 gore prikazana je delta temperature kompresije uz prosječni eksponent 1,35 do temperature 700°K. Na slici 20 dolje prikazana je pripadajuća politropa kompresije koja je u trenutku paljenja goriva (700°K) dostigla vrijednost tlaka od 16,27 bara.

Na slici 21 prikazana je ista politropa kompresije koja je uz isti prosječni eksponent (1,35) do kraja kompresije postigla temperaturu 800°K i dostigla vrijednost tlaka od 28,4 bara. Radi bolje preglednosti politropa kompresije prikazana je uz niže brojčane vrijednosti na skali lijevo, pa temperatura na ovoj skali nije mogla biti prikazana. Kompresija je vršena 180° okrataja vratila.

Ove vrijednosti na kraju kompresije postignute su uz omjer kompresije od 11,8 : 1.

Vrijednosti tlaka i temperature na kraju kompresije koje se mogu postići u rotacionoj konstrukciji odvođenjem dijela topline mediju tokom kompresije.

Na slici 22 gore prikazana je delta temperature kompresije uz prosječni eksponent 1,18 do temperature 700°K. Na slici 22 dolje prikazana je politropa kompresije koja je kod te temperature dostigla vrijednost od 112,6 bara. Kompresija je trajala 220° okretaja vratila do omjera kompresije od 54,8 : 1.

Na slici 23 prikazana je ista politropa radi bolje preglednosti uz iste brojčane vrijednosti na lijevoj skali kao na slici 21. Ova vrijednost prosječnog eksponenta (1,18) izabrana je hipotetski. Ispitivanje i mjerenje konstrukcije pokazati će kojim se intenzitetom hlađenja okolnih stijenci tokom kompresije, postiže odgovarajući eksponent, koji će omogućiti da se većim omjerom kompresije postignu visoki tlakovi na kraju kompresije uz odgovarajuću temperaturu na kraju kompresije.

Na slici 24 prikazan je realan pV dijagram iz termodinamičkog proračuna. U tom proračunu kompresija je prekinuta na manjem omjeru kompresije, na nižim tlakovima i nižoj temperaturi.

Ovime proračun nije izvršen na maksimalnim mogućnostima, što dopušta mogućnost odstupanja i u postizanju vrijednosti prosječnog eksponenta.

Akumulirani tlak u akumulacionoj komori ostvaruje se u većem broju okretaja, pa iscrtana površina prikazuje akumulirani rad kompresije. U ovom pV dijagramu volumeni oba ekspanziona cilindra su isti, ali veći od kompresionog. Ovaj pV dijagram izabran je radi preglednosti tih volumena.

Površinama ispod tanjim linijama ispisanih krivulja (zavisno o kutu alfa) prikazani su kompresioni volumen, kao i dva spojena ekspanziona volumena. Spajanje ovih volumena izvršeno je na 180° okretaja potiskivača 5/2.

Termodinamički proračuni pokazuju da se iz zapremine od 400 cm3 u jednom okretaju s izgaranjem goriva može ostvariti rad oko 900 J, maksimalni okretni moment oko 500 Nm, prosječni okretni moment u jednom okretaju oko 150 Nm. Ovi su rezultazi postignuti punjenjem cilindra masom od 0,000472 kg medija u jednom okretaju. Proračun izgaranja vršen je postupkom VIBE-a, po Ottovom principu, uz stehiometrijski omjer zraka i goriva 15 : 1, lambda 1. Trajanje izgaranja 60° okretaja vratila.

Uz navedene vrijednosti kod 2400 o/min motor daje snagu oko 50 KS.

Kako se izgaranje odvija u uvjetima veće temperature okolnih stijenci (no što je imaju današnje konstrukcije) ukupan prijelaz topline tokom izgaranja bit će manji, pa se mogu očekivati i veće vršne temperature procesa. U ovoj konstrukciji komprimira se zrak, pa se na temperature u procesu, može utjecati većom masom zraka.

Ovdje nije zbrojen dobiveni rad u okretajima hlađenja sistema u kojima se ne dovodi gorivo. Dobiveni rad u ovim okretajima ovisi o maksimalnim mogućnostima akumulacije topline u materijalu, odnosno maksimalne “radne temperature” materijala (uključujući i maziva), visini tlaka i temperature medija na kraju kompresije, masi medija u procesu, kao i o intenzitetu prijelaza topline.

Ovi proračuni potvrđuju da se boljom mehaničkom konstrukcijom i boljim vođenjem procesa može ostvariti mnogo veći mehanički rad u okretaju s dovođenjem i izgaranjem goriva.

Neiskorišteni dio uvedene topline u ovom okretaju, akumulira se i iskorištava za dobivanje određenog rada u narednom okretaju, čime se ukupno ostvaruje mnogo veće iskorištenje energije goriva.

Claims (4)

1. Dvoprocesni rotacioni motor s unutarnjim sagorijevanjem kod kojeg se toplinska energija pretvara u mehanički rad, naznačen time, što se: - na istom vratilu nalaze usisno-kompresioni cilindar te jedan ili dva ekspanziona cilindra, pri čemu je između usisno-kompresionog cilindra i cilindra izgaranja-akumulacije stacionarno smještena akumulaciona komora; - u prvom ekspanzionom cilindru tokom ekspanzije odvija izgaranje goriva i akumulacija dijela oslobođene topline, a u drugom ekspanzionom cilindru ekspanzija-ispuh; - svaki cilindar sastoji od obodnog dijela kućišta (1) i obodnog prstena (2) čije je geometrijsko središte smješteno u geometrijsko središte obodnog dijela kućišta (1); - u svakom cilindru nalazi rotor (3) ekscentrično smješten u odnosu na geometrijsko središte kućišta i prstena, pri čemu je u svom geometrijskom središtu vezan na vratilo (4); - u svakom cilindru nalazi radijalno pokretni potiskivač (5), koji je s jedne strane umetnut u raspor rotora, a s druge strane zglobno postavljen u kružno oblikovani otvor u prstenu, pri čemu potiskivač u svakom cilindru tvori dva promjenjiva volumena, obzirom na smjer vrtnje, volumen ispred sebe (A) i volumen iza sebe (B); - rotor (3) i obodni prsten (2) stalno dodiruju u jednoj točci (0); - svaki cilindar zatvara bočnim stijenkama (9) u kojima su ugrađeni ležajevi (10) za uležištenje vratila (4); - u bočnim stijenkama (9) nalaze otvori za usis (6), ispuh (12) ili prestrujavanje medija (11); - svi dijelovi koji se nalaze unutar cilindra međusobno razlikuju po provrtima i kanalima za protok medija; - ovakvom konstrukcijom izbjegava pretvaranje pravocrtnog u kružno gibanje; - promjena volumena odvija u 360 stupnjeva okretaja vratila; - konstrukcijom smanjuju termički gubici zračenja; - konstrukcijom omogućuje akumulacija topline i njeno iskorištavanje; - rotirajući dijelovi nepropusno naslanjaju na unutarnje stijenke cilindričnog kućišta i bočne stijenke kućišta; - u bočnim stijenkama uležišteni, a smješteni u uglovima obodnog dijela kućišta (1) nalaze cilindrični valjci (8) za smanjenje obodnog trenja prstena i obodnog dijela kućišta - kućišta usisno-kompresionog cilindra i cilindra izgaranja-akumulacije uzajamno poklapaju, a kućište ekspanziono-ispušnog cilindra zaokrenuto je i fiksirano za najpovoljniji kut u odnosu na kućišta prethodna dva cilindra; - svi taktovi procesa odvijaju istovremeno u većem broju međusobno i od okoline izoliranih volumena što omogućuje povoljnije termičko vođenje procesa tj. odvođenje topline u vrijeme kompresije, a dovođenje u vrijeme ekspanzije, pri čemu se dovođenjem topline mediju tokom ekspanzije dobiva rad i u vrijeme povećanja i u vrijeme smanjenja unutarnje energije medija; - protok medija kroz sistem osigurava provrtima (7) u rotorima (3), segmentnim žljebovima u rotorima (3) i segmentnim provrtima u bočnim stijenkama (9).

2. Rotacioni motor prema 1. zahtjevu, naznačen time, da se svi taktovi procesa odvijaju istovremeno u većem broju volumena međusobno i od okoline izoliranih, pri čemu se usis i kompresija odvijaju u jednom cilindru, a ekspanzija u drugom koji je smješten na istom vratilu.

3. Rotacioni motor prema 1. i 2. zahtjevu, naznačen time, što konstrukcija motora omogućuje odvijanje toplinskog procesa kod kojeg se toplina ODVODI u vrijeme kompresije, a DOVODI u vrijeme ekspanzije, pri čemu se toplina akumulira u stijenkama koje okružuju provrt rotora u kojem se odvija izgaranje, obodnom dijelu mase rotora i unutarnjem dijelu obodnog prstena koji su u neposrednom dodiru s medijem, te dijelu bočnih stijenki koje okružuju medij u vrijeme izgaranja.

4. Rotacioni motor prema 1., 2. i 3. zahtjevu, naznačen time, što konstrukcija motora omogućuje primjenu naizmjeničnog odvijanja dvaju toplinskih procesa u istom sistemu, pri čemu se neiskorišteni dio uvedene topline u jednom okretaju akumulira i iskorištava za dobivanje određenog rada u drugom okretaju, čime se ostvaruje veće iskorištenje energije goriva, tako da se; - u nekom broju okretaja (1 ili više) toplina mediju dovodi izgaranjem goriva uz povećanje unutarnje energije mediju tokom ekspanzije u vrijeme kada medij vrši rad, odvijanjem Krajnovićevog kružnog procesa; - kada se temperatura sistema približi granici radne izdržljivosti materijala, u nekom broju okretaja (1 ili više) toplina mediju dovodi prijelazom topline akumulirane u stijenkama sistema čime se održava unutarnja energija mediju u vrijeme kada medij vrši rad, odvijanjem Carnotovog kružnog procesa.