RO106789B1 - Motor cu piston - Google Patents

Abstract

Motorul cu piston este format din doua grupuri de presiune, cuplate numai gazodinamie, intre ele.‘Acrul este aspirat si comprimat p.âna la 6 at in cilindrii unui grup de joasa presiune (Λ), apoi este răcit intr-un răcitor (19). Unneaza o comprimare înalta, până la 60 at, in cilindrii unui grttp de inalla presiune (B). Aerul este prcîncalzit apoi, cu niște încălzitoare electrice (29), st introdus 'n niște camere de ardere (30), unde se amesteca cu combustibil injectat continuu. Gazele de ardere, care se formează, sunt aspirate intr-un cilindru de destindere (10) al grupului de înalta presiune (B) si destinse până la 6 at. Unneaza o a doua destindere intr-un cilindru (9) a| grupului de joasa presiune (Λ) până la presiunea ambianta. Supapele de adtnisie (35) a gazelor din camerele de ardere sunt comandate, atât gazodinamie, cât si mecanic, de un dispozitiv (C) montat in capul pistonului de destindere. Blocul motor (I) este răcit cu un lichid (51) care, preluând căldura, trece in stare de vapori si se destinde intr-o turbina (52). Aceasta antrenează un generator electric (53), ce produce curentul ue alimentare, pentru niște încălzitoare electrice (29).

Description

Obiectul invenției îl reprezintă un motor cu piston cu cameră de ardere exterioară destinat să echipeze automobile, avioane, vapoare și orice tip de unități fixe de putere.

Sunt cunoscute motoarele cu piston cu cameră de ardere exterioară (de exemplu, motorul conform brevetului DE nr.2011560) la care formarea amestecului carburant și arderea acestuia au loc într-un organ al motorului diferit de cele îa care are loc comprimarea aerului sau destinderea gazelor de ardere. Această separare este necesară datorită faptului că la motoarele convenționale cu piston, la turații ridicate, timpul de destindere tinde să devină mai mic decât timpul necesar pentru ardere. La motoarele cu piston cu cameră de ardere exterioară cunoscute, admisia și comprimarea aerului au loc în niște cilindri de comprimare. De aici aerul pătrunde în camera de ardere unde este injectat combustibil și are loc arderea amestecului care se formează. Gazele ane intră și se destind în cilindrii de destindere care pot avea un diametru mai mare decât cilindrii de comprimare. Motoarele cu piston cu cameră de ardere exterioară prezintă avantajul că formarea și arderea amestecului carburant este continuă și are loc în condiții optime indiferent de turație, ceea ce duce la o creștere a randamentului termic și la o scădere a emisiilor poluante. în același timp însă prezintă dezavantajul unei solicitări termice foarte ridicate a supapei dintre camera de ardere și cilindrul de destindere, ceea ce face foarte dificila etanșarea și ungerea tijei acestei supape. De asemenea, datorită timpului ei scurt de deplasare sunt necesare mecanisme complicate pentru acționare.

Prezenta invenție își propune, ca plecând de la realizările cunoscute, să crească randamentul termic al motorului cu ajutorul unor soluții constructive simple și să asigure funcționarea corectă a tuturor organelor. Motorul, conform invenției, folosește mai eficient energia gazelor de ardere deoarece compresia, arderea și destinderea au loc în organe diferite, ceea ce permite dimensionarea optimă a acestora conform funcționării fiecăruia.

Motorul cu piston conform invenției aspiră și comprimă aerul într-o primă fază în cilindrii de comprimare din grupul de joasă presiune până la 6 at Apoi aerul trece printr-un racilor și pătrunde în cilindrii de comprimare din grupul de înaltă presiune unde are loc comprimarea până la 60 at După ce iese din cilindrii de comprimare ai grupului de înaltă presiune, aerul este preîncălzit cu ajutorul unor rezistențe electrice alimentate de un generator de curent Acest generator este antrenat de o turbină pusă în mișcare de vaporii sub presiune ai lichidului de răcire. După preîncălzire, aerul intră în camerele de ardere unde se amestecă cu combustibilul injectat continuu prin niște injectoare. Arderea acestui amestec are loc în niște tuburi de foc, izolate termic la interior cu niște tuburi ceramice, plasate în interiorul camerelor de ardere deasupra cilindrilor de destindere. Curgerea gjazelor din camerele de aiderelh cilindrii de destindere este guvernată de niște supape de admisie acționate, atât gazo-dinamic datorită diferenței de presiune dintre camera de ardere și cilindrul de destindere, cât și mecanic. Acționarea mecanică se realizeză cu ajutorul unui arc și a unei casete care culisează în interiorul unei bucșe montate în pistonul cilindrului de destindere. în timpul cursei ascendente spre punctul mort superior, gazele rămase după închiderea supapei de evacuare sunt comprimate până când presiunea din cilindru a devenit mai mare decât presiunea din camera de ardere. în acest moment supapa de admisie se deschide datorită diferenței de presiuni și este menținută deschisă circa 28° rotație arbore cotit, de arcul din piston. După ce trece de punctul mort superior, viteza pistonului începe să crească, iar presiunea din cilindru devine din ce în ce mai mică față de presiunea din camera de ardere, ceea ce determină la un anumit moment închiderea supapei de admisie. Din acest moment, gazele din cilindru se destind până la 6 at, după care trec într-un vas tampon în care presiunea este aproximativ constantă. Din vasul de tampon gazele de ardere trec în cilindrii de destindere ai grupului de joasă presiune și se destind până la presiunea atmosferică. Urmează evacuarea gazelor în mediul ambiant prin supapa de evacuare.

Lichidul folosit în sistemul de răcire este alcoolul metilic care are proprietatea că la 100°C are presiunea de vaporizare de 3,4 at Temperatura de 100°C asigură o răcire corectă a tuturor organelor motorului, iar energia corespunzătoare presiunii de 3,4 at este transformată în lucru mecanic într-o turbină care antrenează generatorul de curent electric.

Problema solicitărilor termice foarte ridicate pe care trebuie să le suporte supapa de admisie a cilindrilor de destindere a fost rezolvată cu ajutorul unui sistem de rărire a tijei și talerului supapei simplu și eficace. Un rezervor cu apă este presurizat la 8 at cu aer din conducta în care se află încălzitoarele electrice. Apa la presiunea de 8 at pătrunde printr-o supapă cu bilă în zona talerului supapei de admisie pe care o răcește în timpul evacuării gazelor din cilindrul de destindere. După închiderea supapei de evacuare, presiunea gazelor începe să crească și în momentul în care a depășit 8 at se închide supapa cu bilă, astfel încât în timpul admisiei și destinderii nu aje loc injecția de apă.

în această variantă de realizare a motorului, conform invenției, nu există o legătură mecanică între arborele cotit al grupului de joasă presiune și arborele cotit al grupului de înaltă presiune.

într-o altă variantă de realizare a invenției, s-a renunțat la grupul de joasă presiune, rămânând doar grupul de înaltă presiune, care funcționează în mod analog celui descris mai sus.

Motorul cu piston, conform invenției, prezintă un randament termic ridicat, o creștere substanțială a siguranței în funcționare și posibilitatea utilizării oricărui combustibil injectabil. Arderea are loc în condiții optime de presiune și temperatură indiferent de turație și în exces de aer, ceea ce face să fie completă și cu efecte poluante minime. Pentru că nu există o legătură mecanică între arborii cotiți ai celor două grupuri, turațiile lor se pot adapta continuu și optim funcție de sarcină și de debitul de combustibil injectat în camerele de ardere.

în continuare sunt prezentate două exemple de realizare a invenției, în legătură cu fig.1... 10, care reprezintă:

- fig.1, reprezentarea schematică a variantei de construcție a motorului cu piston cu un grup de joasă presiune și un grup de înaltă presiune;

- fig.2, reprezentarea unei secțiuni longitudinale prin grupul de joasă presiune;

- fig.3, reprezentarea unei secțiuni longitudinale prin grupul de înaltă presiune;

- fig.4, secțiune prin cilindrul de compresie al grupului de joasă presiune;

- fig.5, secțiune prin cilindrul de compresie al grupului de înaltă presiune;

- fig.6, secțiune prin cilindrul de destindere al grupului de înaltă presiune;

- fig.7, reprezentarea schematică a unui motor cu un singur grup de presiune;

- fig.8, diagrama de variație a presiunii din cilindrul de destindere în funcție de unghiul de rotație al arborelui cotit în timpul perioadei de admisie a gazelor de ardere;

- fîg.9, legea de deplasare a supapei de admisie a unui cilindru de destindere în funcție de unghiul de rotație al arborelui cotit;

- fig 10, diagrama de variație a vitezei de cuigere a gazelor de ardere prin supapa de admisie dintre camera de ardere și cilindrul de destindere, în funcție de unghiul de rotație al arborelui cotit într-o primă variantă de realizare (fig.1) motorul cu piston conform invenției cuprinde un grup de joasă presiune A și un grup de înaltă presiune B amplasate într-un bloc motor 1. Grupul de joasă presiune A este prevăzut cu doi cilindri de comprimare 2 și cu doi cilindri de destindere 3, un arbore cu came 4 și un arbore cotit 5. în interiorul cilindrilor de comprimare 2 culisează două pistoane de comprimare 6, iar în interiorul cilindrilor de destindere 3 culisează două pistoane de destindere 7. Pistoanele 6 și 7 sunt cuplate cu arborele cotit 5 prin intermediul unor biele & Grupul de înaltă presiune B cuprinde doi cilindri de comprimare 9 și doi cilindri de destindere 10, un arbore cu came 11 și un arbore cotit 12. în interiorul cilindrilor de comprimare 9 culisează două pistoane de comprimare 13, iar în interiorul cilindrilor de destindere 10 culisează două pistoane de destindere 14. Pistoanele 13 și 14 sunt cuplate cu arborele cotit 12 prin intermediul unor biele 15. între arborii cotiți 5 și 12 nu există legătură mecanică, astfel încât aceștia pot avea în timpul funcționării turații diferite funcție de sarcina motorului Cilindrii de comprimare, atât cei din grupul de joasă presiune A, cât și cei din grupul de înaltă presiune B^otavea diametrul mai mic decât diametrul cilindrilor de destindere din grupurile respective.

Aerul este aspirat din mediul ambiant în cilindrii de comprimare 2 prin niște supape de admisie 16 comandate de arborele cu came 4. Aerul este apoi comprimat până la 6 at Atingerea acestei presiuni comandă deschiderea unor supape de evacuare 17 (fig.4), astfel încât aerul comprimat trece prin niște galerii 18 într-un răcitor 19 răcit cu lichidul de rărire din blocul motor 1. Fiecare supapă 17 este presată pe un sediu 20 de un arc 21 pretensionat de o bucșă filetată 22. După ce este răcit, aerul intră în cilindrii de comprimare 9 ai grupului de înaltă presiune B prin niște supape de admisie 23. Supapele de admisie 23 sunt comandate de presiunea aerului din răcitorul și sunt presate pe un sediu 24 cu ajutorul unui arc 25 și al unui taler 26. Talerul 26 este fixat printr-un sistem cunoscut pe tija supapei 23 (fig.5).

Aerul este apoi comprimat în cilindrii de comprimare 9 ai grupului de înaltă presiune B până la 60 at în momentul atingerii presiunii de 60 at în cilindrii de comprimare 9 se deschid niște supape de evacuare 27 identice cu supapele de evacuare 17 (fig.5), care permit intrarea aerului în niște galerii 28. Galeriile 28 sunt prevăzute cu niște încălzitoare electrice 29 care încălzesc aerul înainte de intrarea lui în niște camere de ardere 30. La partea superioară, camerele de ardere 30 sunt prevăzute cu niște capace 31 în care sunt montate niște injectoare 32. Camerele de ardere 30 sunt prevăzute cu niște tuburi de foc 33 izolate termic la interior cu niște tuburi ceramice 34. Tuburile de foc 33 sunt prevăzute cu niște găuri a dispuse înclinat față de direcția radială a tubului de foc, astfel încât aerul care pătrunde prin acestea capătă o mișcare de rotație de sens contrar sensului de rotație pe care îl are combustbilul injectat prin injectoarele 32. Aerul preîncălzit în galeriile 28 intră în camerele de ardere 30 în exteriorul tuburilor de foc 33, pe care le răcește și le izolează termic. Intra apoi în tuburile de foc 33 prin găurile înclinate a, se amestecă cu combustibilul injectat continuu de injectoarele 32 și arde cu o flacără turbionara la presiune aproape constantă și în exces de aer. Aceasta conduce la o ardere aproape completă, cu emisii poluante minime, indiferent de turația motorului. Gazele care rezultă în urma arderii trec în cilindrii de destindere 10 ai grupului de înaltă presiune B prin niște supape de admisie 35 (fig.6) și apoi sunt evacuate prin niște supape de evacuare 36 comandate de arborele cu came 11. Fiecare supapă 35 este formată dintr-un taler b și o tijă c orientată spre cilindrul 10, prevăzută cu un opritor 37. Talerul b etanșează camera de ardere 30, fiind așezat pe un disc 38 prevăzut cu un canal circular d. Canalul circular d este închis etanș spre partea centrală de o piesa 39 prevăzută cu niște bride radialee care fixează o bucșă centrală f. Tija c a supapei de admisie 35 culisează cu joc de 0,2 mm fără ungere prin bucșa centrală f. Piesa 39 este prevăzută cu niște găuri centrale g prin care lichidul de răcire aflat în canalul circular d este pulverizat pe talerul și tija supapei 35. Fiecare supapă de admisie 35 este comandată, atât de diferența de presiune dintre camera de ardere 30 și cilindrul de destindere 10, cât și mecanic de un dispozitiv C montat pe pistonul 14. Dispozitivul C este format dintr-o casetă 40 care culisează fără ungere cu joc de 0,2 mm într-o bucșă 41, prevăzută cu un umăr h, fixată în capul pistonului 14. în caseta 40 este montat un arc 42 care presează caseta 40 pe umărul h. Bucșa 41 este închisă etanș la partea inferioară cu un dop filetat 43 care pretensionează arcul 42.

în timpul evacuării gazelor de ardere din cilindrul 10, pistonul 14 urcă spre punctul mort superior. Talerul b al supapei 35 este presat etanș pe discul 38 de presiunea din camera de ardere 30. înainte de punctul mort superior, cu 15° rotație arbore cotit, se închide supapa de evacuare 36, iar gazele de ardere rămase în cilindru sunt comprimate până la o presiune egală cu presiunea din camera de ardere 30. Tija c a supapei 35 este apăsată de caseta 40 care culisează față de bucșa 41 și comprimă arcul 42. Când forța de presiune a gazelor din cilindrul de destindere 10 a devenit mai mare decât forța de presiune a gazelor din camera de ardere 30, supapa 35 se ridică de pe discul 38 și este împinsă de arcul 42 spre interiorul tubului de foc până când opritorul 37 atinge bucșa f. Gazele din camera de ardere 30 pătrund în cilindrul 10 și egalizează presiunile. Pistonul 14 începe apoi să coboare spre punctul mort inferior și permite aspirația gazelor de ardere la presiunea aproximativ constantă în cilindrul 10 (fig.8). Presiunea în ci8 lindrul 10 începe să scadă datorită creșterii vitezei de deplasare a pistonului 14. Datorită diferenței de presiune care apare între camera de ardere 30 și cilindrul 10, supapa 35 este împinsă de gazele de ardere spre discul 38. în momentul în care supapa 35 s- a așezat pe discul 38 s-a încheiat adnisia gazelor de ardere și începe destinderea lor în cilindru, în fig.9, este notat cu 1 momentul în care supapa 35 începe să se ridice de pe discul 38. Pe intervalul 1-2 este împinsă în sus de arcul 42, iar pe intervalul 2-3 supapa 35 se deplasează sub acțiunea foițelor gazo-dinamice. în punctul 3 intră din nou în contact cu dispozitivul C. Pe intervalul deplasarea are loc sub acțiunea forțelor gazo-dinamice și a forței arcului 42. în fig. 10 se observă că viteza de curgere a gazelor prin supapa 35 este mai mică de 100m/sîn cea mai mare parte a perioadei de aspirație. în consecință, pierderile de entropie, ca măsură a energiei ce nu poate fi transformată în lucru mecanic, sunt neglijabile. La turații mici de funcționare a motorului, cantitatea de gaze de ardere care rămâne în cilindru după închiderea supapei 35 nu este suficientă pentru a ridica presiunea în cilindrul 10 până la presiunea din camera de ardere 30. în această situație deschiderea supapei are loc mecanic după cum urmează: arcul 42 se comprimă până când caseta 40 atinge dopul filetat 43. După aceasta caseta 40 se deplasează solidar cu pistonul 14 și cu supapa 35 pe care o ridică de pe discul 38. Urmează identic fenomenele prezentate mai sus. După închiderea supapei 35 începe destinderea gazelor în cilindrul 10, care durează până în momentul ajungerii pistonului 14 b punctul mort inferior. în acest moment presiunea ajunge la 6 at, și începe evacuarea gazelor într-un vas tampon 44. Deoarece cilindrii de destindere 10 lucrează în faze opuse, presiunea în vasul tampon 44 rămâne aproape constantă în jurul a 6 at Din vasul tampon 44 gazele pătrund în cilindrii de destindere 3 ai grupului de joasă presiune A prin niște supape de admisie 45 identice cu supapele 35. Supapele 45 sunt acționate de câte un dispozitiv D (nefigurat), identic cu dispozitivul C, montat în pistoanele 7. în cilindrii 3 ai grupului de joasa presiune A gazele se destind până la presiunea atmosferică și sunt evacuate prin niște supape de evacuare 46 comandate de arborele cu came 4.

Supapele 35 sunt puternic solicitate termic pentru că sunt în contact permanent cu gazele de ardere de temperatură înaltă din camera de ardere 30. Răcirea talerului b și a tijei c ale supapei 35 se realizează cu ajutorul unui dispozitiv E format dintr-un rezervor de apă 47 presurizat la 8 at cu aer din galeriile 28. Debitul de apă care iese din rezervorul 47 este reglat de un drosel 48 și comprimat de o supapă cu biă 49 înainte de a intra în canalul circular d al discului 38. Atât timp cât presiunea din cilindrul 10 este mai mică de 6 at, apa din rezervorul 47 va fi injectată prin orificiile de răcire g spre tija c și spre suprafața interioară a talerului supapei 35. Aceasta se întâmplă în ultima parte a evoluției de destindere și pe tot parcursul evacuării gazelor de ardere, în total aproximativ 190° rotație arbore cotit Supapa cu bilă 49 are rolul de a nu permite trecerea gazelor de ardere din cilindrul 10 în rezervorul 47 în perioada în care presiunea din cilindrul 10 este mai mare decât presiunea din rezervorul 47.

Comprimarea aerului, destinderea gazelor arse, circulația aerului și a gazelor au loc cu pierderi de căldură. Pentru recuperarea acestei călduri, motorul cu piston, conform invenției, este prevăzut cu un sistem de răcire cu un lichid 51.

Lichidul de răcire folosit este alcoolul metilic care circulă în interiorul blocului motor 1 în jurul pieselor calde mai sus menționate și ajunge la o temperatură de 100°C și la o presiune de 3,4 at Presiunea în interiorul blocului motor 1 este menținută la 3,4 at ceea ce determină vaporizarea alcoolului metilic. Vaporii astfel rezultați sunt conduși spre o turbină 52 unde se destind. Turbina 52 antrenează la rândul său un generator electric 53 ce produce curentul necesar încălzitoarelor electrice 29. Datorită destinderii vaporilor în turbina 52, aceștia trec în faza lichidă după care lichidul rezultat este comprimat cu ajutorul unei pompe (nereprezentate) până la 3,4 at și introdus din nou în blocul motor 1.

într-o altă variantă constructivă, motorul cu piston, conform invenției, poate fi construit cu un singur grup de presiune (fig.7). Această variantă constructivă este identică cu grupul de înaltă presiune B de la varianta menționată anterior.

Claims (10)

1. Revendicări

   1. Motor cu piston, destinat să echipeze automobile, avioane, vapoare și orice tip de unități fixe și mobile de putere, format din cilindri de comprimare, cilindri de destindere, arbori cu came, arbori cotiți, supape de admisie și evacuate, și sisteme de răcire, caracterizat prin aceea ca prezintă un grup de joasa presiune (A) și un grup de înaltă presiune (B) , fiecare cuprinzând cel puțin câte un cilindru de compresie (2 și 9) și câte un cilindru de destindere (3 și 10), niște camere de ardere (30) plasate în capul cilindrilor de destindere (10) prevăzute cu niște tuburi de foc (33), izolate termic la interior cu niște tuburi ceramice (34), în care pătrunde aerul preîncălzit în niște galerii (28) de încălzitoarele electrice (29), prin niște orificii înclinate (a), se amesteca cu combustibilul injectat deinjectoarele (32) și arde într-o flacără turbionară, după care gazele care se formează trec în cilindrii de destindere (10) prin niște supape (35) acționate gazo-dinamic și mecanic cu un dispozitiv (C) montat în capul pistoanelor (14), supapele (35) fiind răcite de un sistem (E).
2. 2. Motor cu piston, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că supapa de admisie (35) este compusă dintr-un taler (b), o tijă (c) orientată spre cilindrul de destindere (10) și un opritor (37), astfel încât tija (c) trece prin bucșa centrală (f) a unei piese cu bride (39), iar talerul (b) se sprijină pe un disc (38).
3. 3. Motor cu piston, conform revendicărilor 1 și 2, caracterizat prin aceea că dispozitivul (C) de acționare a supapei (35) este format dintr-o casetă (40) care culisează într-o bucșă (41) fixată în capul pistonului (14), între un umăr (A) și un dop filetat (43) care presează un arc (47).
4. 4. Motor cu piston, conform revendicărilor 1, 2 și 3, caracterizat prin aceea că răcirea supapei de admisie (35) se face ajutorul unui sistem (E) care cuprinde un rezervor sub presiune (47), un drosel (48), o supapă cu bilă (49), un canal circular (d) și niște orificii de răcire (g) prin care se pulverizează apă pe tija (c) și talerul (b) ale supapei de admisie (35).
5. 5. Motor cu piston, conform revendicărilor 1...4, caracterizat prin aceea că cilindru de compresie (2) și respectiv (9) sunt legați între ei printr-o galerie (18) prevăzută cu un răcitor (19), iar cilindrii de destindere (3) și respectiv (10) sunt legați între ei printr-un vas tampon (44).
6. 6. Motor cu piston, conform revendicărilor 1...5, caracterizat prin aceea că cilindrii de compresie (2 și 9), cilindrii de destindere (3 și 10), galeria (18) cu răcitorul intermediar (19), vasul tampon (44), galeriile (28), precum și camerele de ardere (30) sunt montate într-un bloc motor (1) răcit cu un lichid (51) ale cărui caracteristici se adaptează temperaturii din timpul procesului de funcționare a motorului.
7. 7. Motor cu piston, conform revendicărilor 1...6, caracterizat prin aceea că lichidul (51) folosit în sistemul de răcire trece în stare de vapori și antrenează o turbină (52) care acționează un generator de curent (53) care la rândul său produce energie pentru încălzitoarele elentrice (29).
8. 8. Motor cu piston, conform revendicărilor 1...7, caracterizat prin aceea că supapa de evacuare (17) a fiecărui cilindru de comprimare (2) din grupul de joasă presiune (A), supapa de admisie (23) și cea de evacuare (27) ale fiecărui cilindru de comprimare (9) din grupul de înaltă presiune (B) sunt comandate exclusiv prin diferența de presiune.
9. 9. Motor cu piston, conform revendicărilor 1...8, caracterizat prin aceea că supapele de admisie (16) și supapele de evacuare (46) din grupul de joasă presiune (A) sunt comandate de arborele cu came (4), iar supapele de evacuare (36) din grupul de înaltă presiune (B) sunt comandate de arborele cu came (11).
10. 10. Motor cu piston, conform revendicărilor 1...9, caracterizat prin aceea că nu există legătură mecanică între arborele cotit (5) al grupului de joasă presiune (A) și arborele cotit (12) de înaltă presiune (B), astfel încât ei se pot roti cu turații diferite funcție de sarcina motorului.