RO138043A2 - Motor recuperativ cu hidrogen - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un motor recuperativ, cu hidrogen, utilizabil pe mijoacele de transport şi ca sursă de putere în instalaţii staţionare, în scopul reducerii consumului de combustibil şi al diminuării efectului de seră, care poate fi realizat ca motor cu aprindere prin comprimare, cu aprindere prin scânteie sau având oricare alt ciclu motor. Motorul (1) conform invenţiei include, în interiorul unui bloc motor (2), cel puţin o cameră (3) de ardere şi cel puţin o cameră (4) auxiliară care au aceeaşi axă de simetrie şi sunt situate în opoziţie, în interiorul celor două camere (3 şi 4) culisând un element (5) mobil comun care conţine la un capăt un piston motor (6), de formă ovală, având o anumită suprafaţă (7) ce delimitează camera (3) de ardere, iar la celălalt capăt un piston (8) auxiliar, de preferinţă de formă ovală, având o anumită suprafaţă (9) ce delimitează camera (4) auxiliară, pistonul motor (6) şi pistonul (8) auxiliar fiind rigidizate între ele prin intermediul a patru braţe (14), iar în spaţiul dintre braţe (14), respectiv în zona mediană a motorului (1), se roteşte un arbore (15) cotit, între elementul (5) mobil comun şi arborele (15) cotit fiind realizată o legătură prin intermediul unei biele (20). Blocul motor (2) este compus din două semiblocuri (25 şi 26), unul motor şi altul auxiliar, unite în zona mediană a motorului (1) în aşa fel încât să fixeze nişte lagăre (19) ale arborelui (15) cotit.

Description

Motor recuperativ cu hidrogen

Invenția se refera la un motor recuperativ cu hidrogen utilizabil pe mijloace de transport si ca sursa de putere in instalatii staționare in scopul reducerii consumului de combustibil si al diminuării efectului de sera. Motorul constituie o perfecționare a invenției cu numărul RO130861 Bl. Motorul poate fi realizat ca motor cu aprindere prin comprimare, cu aprindere prin scinteie sau avind oricare alt ciclu motor.

Este cunoscut motorul convențional in patru sau in doi timpi cu piston circular in mișcare liniara de translație. In varianta de serie, acesta prezintă un randament scăzut datorat in principal pierderilor de energie din sistemul de evacuare a gazelor.

In ultimul timp s-au realizat motoare pentru automobilele de Formula 1 care au depășit 50% randament datorita recuperării energiei gazelor arse. Pentru a obține acest randament, aceste motoare utilizează dispozitive exterioare motorului (MGU) asociate cu baterii de acumulatori relativ voluminoase si grele.

Este de asemenea cunoscuta pila de combustie care transforma direct energia chimica in energie electrica. Deși are un randament ridicat de circa 50%, acesta scade cu temperatura. In construcția pilei de combustibil sunt utilizate metale rare, ca de exemplu platina, care scumpesc construcția. In plus, hidrogenul utilizat trebuie sa aiba o puritate foarte mare si in cazul in care este contaminat cu alte substate poate defecta pila.

Sunt de asemenea cunoscute motoarele recuperative descrise in invenția RO130861 Bl. Deși acestea sunt foarte eficiente din punct de vedere energetic, ele prezintă un mecanism motor complicat, avind multe piese componente.

In consecința constituie un deziderat ca un motor cu ardere interna sa recupereze cel puțin parțial energia gazelor de evacuare pentru a creste randamentul efectiv.

Un obiectiv principal al acestei invenții este realizarea unui motor recuperativ foarte compact, cu randament crescut si care sa aiba un număr de piese cit mai mic.

Prezenta invenție rezolva problema unei densități de putere ridicata si a unui randament efectiv ridicat in condițiile unei construcții compacte si simple.

Invenția înlătură dezavantajele enumerate mai sus prin aceea ca un motor recuperativ include in interiorul unui bloc motor cel puțin o camera de ardere si cel puțin o camera auxiliara ambele de volum variabil. Camera de ardere si camera auxiliara au aceiași axa de simetrie si sunt situate in opoziție. In camera de ardere si camera auxiliara culiseaza un element mobil comun. Elementul mobil comun conține la un capat un piston motor, de forma ovala, avind o anumita suprafața ce delimitează camera de ardere. Elementul mobil comun conține la celalalt capat un piston auxiliar, de preferința de forma ovala, avind o anumita suprafața ce delimitează camera auxiliara. Suprafața pistonului auxiliar este de citeva ori mai mare decit suprafața pistonului motor. Pistonul motor prezintă o axa de simetrie, considerata orizontala ce unește niște centre ale unor cercuri care formează ovalul pistonului motor. In mod similar pistonul auxiliar prezintă o axa de simetrie, considerata verticala ce unește niște centre ale unor cercuri care formează ovalul pistonului auxiliar. Axa de simetrie a pistonului auxiliar este perpendiculara pe axa de simetrie a pistonului motor. Pistonul motor si cel auxiliar sunt rigidizate intre ele prin intermediul a patru brațe. In spațiul dintre brațe, respectiv in zona mediana motorului, se rotește un arbore cotit ce conține cel puțin un maneton încadrat de doua manivele si cel puțin doua fusuri paliere suspendate pe niște lagare. Legătură dintre elementul mobil comun si arborele cotit se realizeza prin intermediul unei biele care are un picior articulat pe fusul maneton si un cap articulat pe un boit fixat in pistonul motor. Blocul motor este compus din doua semi-blocuri unul motor si altul auxiliar unite in zona mediana a motorului in asa fel incit sa fixeze lagărele arborelui cotit. Semi-blocul motor conține un cilindru motor, care prezintă o secțiune ovala. Semi-blocul auxiliar conține un cilindru auxiliar, care prezintă o secțiune ovala. Cilindru motor este închis la capat de o chiulasa. Cilindru auxiliar este închis la capat de o alta chiulasa. Cele doua chiulase sunt puse in legătură prin niște conducte controlate de niște supape, acționate eventual de unul sau mai multi arbori cu came. Acest motor funcționează cu recuperarea energiei gazelor arse.

Conform altui aspect al invenției, in camera de ardere are loc un ciclu motor in patru timpi cu supraalimentare, controlat de cel puțin o supapa de admisie si de cel puțin o supapa de evacuare. Combustibilul utilizat este de preferința hidrogenul care poate fi injectat direct in camera de ardere. Gazele arse sunt evacuate intr-o conducta de transfer ce face legătură cu camera auxiliara, conducta de transfer continind un convertor catalitic pentru oxizii de azot. In amonte sau in aval de convertorul catalitic este montat un injector de combustibil suplimentar. Injectorul de combustibil suplimentar poate fi de asemenea instalat in chiulasa cilindrului auxiliar. Camera auxiliara este controlata de patru supape una dintre ele controlind conducta de transfer. O alta supapa controlează admisia de aer prospat in camera auxiliara. O a treia supapa controlează o conducta de admisie ce face legătură dintre camera auxiliara si camera de ardere. O a patra supapa controlează evacuarea gazelor arse din camera auxiliara spre o tubulatura de evacuare. Intr-o prima faza camera auxiliara este utilizata pentru a produce o a doua destindere a gazelor arse provenite din camera de ardere. Intr-o a doua faza camera auxiliara este utilizata ca un compresor volumetric ce produce supraalimentarea camerei de ardere. In acest caz elementul mobil comun executa doua curse motoare ce extrag lucrul mecanic produs pe fiecare ciclu, respectiv pe durata a doua rotatii de arbore cotit. Injectorul din conducta de transfer este utilizat atunci cind este necesara o putere sporita pe perioade scurte (asa-zisa funcționare „over-power) si introduce o cantitate suplimentara de combustibil in gazele arse care se inflamează producind un proces de postardere care amplifica presiunea din camera auxiliara la sfirsitul celei de-a doua destinderi. Atunci cind motorul este utilizat in construcții hibride turatia utilizata este fixata in zona randamentului maxim.

Acest motor poate funcționa in camera de ardere după ciclul cu aprindere prin scinteie, după ciclul cu aprindere prin comprimare sau după orice alt tip cunoscut (Miller, Atkinson, cu amestec omogen, cu ardere mixtă, etc.). De asemenea pot fi realizate motoare cu șiruri paralele de cilindrii, arborii cotiți având manetoanele decalate in mod corespunzător.

Motorul conform invenției prezintă avantajul unui randament ridicat ce poate depăși randamentul pilei de combustie, valoarea acestuia fiind ridicata si la temperaturi crescute. Atunci cind motorul este utilizat in construcții hibride turatia este fixata in zona randamentului maxim. El poate utiliza hidrogen cu puritate redusa sau alti combustibili ecologici sau regenerabili ca de exemplu amoniacul. Pentru construcție nu sunt utilizate materiale exotice sau scumpe si tehnologia de fabricație este comuna cu cea a motoarelor convenționale. Densitatea de putere este mărită si in plus puterea poate fi inca mai mult crescută pe perioade limitate cu ajutorul postarderii. Motorul este forte compact deoarece funcțiile de supraalimentare si de recuperare a energiei sunt integrate motorului intr-un spațiu restrins. Mecanismul motorului este simplu si prezintă puține piese in mișcare sau fixe, ceea ce conduce la un cost redus.

Se dau mai jos un număr de exemple de realizare a invenției in legătură cu figurile 1-9 care reprezintă:

- Fig. 1, o vedere izometrică cu secțiune printr-un motor recuperativ;

- Fig. 2, o secțiune longitudinala prin motorul de la figura 1;

- Fig. 3, o secțiune transversala prin motorul de la figura 1;

- Fig. 4, o vedere izimetrica a elementului mobil comun;

- Fig. 5, o vedere izimetrica a elementului mobil comun;

- Fig. 6, o reprezentare schematica a unui motor regenerativ care recuperează energia cinetica a gazelor de evacuare, cu instalațiile auxiliare;

- Fig. 7, un tabel explicativ al funcționarii motorului de la figura 6;

- Fig. 8, o vedere izimetrica a unui element mobil comun cu cu piston auxiliar circular; -Fig. 9, o vedere izometrică a unui motor regenerativ hibrid.

Intr-o prima varianta de realizare un motor 1, recuperativ, include in interiorul unui bloc motor 2 cel puțin o camera de ardere 3 si cel puțin o camera auxiliara 4 ambele de volum variabil ca in figurile 1-5. Camera de ardere 3 si camera auxiliara 4 au aceiași axa de simetrie si sunt situate in opoziție. In camera de ardere 3 si camera auxiliara 4 culiseaza un element mobil comun 5. Elementul mobil comun 5 conține la un capat un piston motor 6, de forma ovala, avind o anumita suprafața 7 ce delimitează camera de ardere 3. Elementul mobil comun 5 conține la celalalt capat un piston auxiliar 8, de preferința de forma ovala, avind o anumita suprafața 9 ce delimitează camera auxiliara 4. Suprafața 9 a pistonului auxiliar 8 este de citeva ori mai mare decit suprafața 7 a pistonului motor 6. Pistonul motor 6 prezintă o axa de simetrie 10, considerata orizontala ce unește niște centre 11 ale unor cercuri care formează ovalul pistonului motor 6. In mod similar pistonul auxiliar 8 prezintă o axa de simetrie 12, considerata verticala ce unește niște centre 13 ale unor cercuri care formează ovalul

pistonului auxiliar 8. Axa de simetrie 12 a pistonului auxiliar 8 este perpendiculara pe axa de simetrie 10 a pistonului motor 6. Pistonul motor 6 si cel auxiliar 8 sunt rigidizate intre ele prin intermediul a patru brațe 14. In spațiul dintre brațele 14, respectiv in zona mediana motorului 1, se rotește un arbore cotit 15 ce conține cel puțin un maneton 16 încadrat de doua manivele 17 si cel puțin doua fusuri paliere 18 suspendate pe niște lagare 19. Legătură dintre elementul mobil comun 5 si arborele cotit se realizeza prin intermediul unei biele 20 care are un picior 21 articulat pe manetonul 16 si un cap 22 articulat pe un boit 23 fixat intr-un orificiu cilindric 24 al pistonului motor 6. Blocul motor 2 este compus din doua semi-blocuri, unul motor 25 si altul auxiliar 26 unite in zona mediana a motorului 1 in asa fel incit sa fixeze lagărele 19 ale arborelui cotit 15. Semi-blocul motor 25 conține un cilindru motor 27, care prezintă o secțiune ovala. Semi-blocul auxiliar 26 conține un cilindru auxiliar 28, care prezintă o secțiune ovala. Cilindru motor 27 este închis la capat de o chiulasa 29. Cilindru auxiliar 28 este închis la capat de o alta chiulasa 30. Pistonul auxiliar 8 este montat pe brațele 14 cu ajutorul unor șuruburi 44. In funcție de modul de funcționare chiulasele 29 si 30 pot avea configuratii diferite. Chiulasa 29 poate fi echipata cu injectoare de hidrogen (nefigurate) si mijloace de apridere (nefigurate) in funcție de tipul de ciclu motor utilizat si acestea nu constituie obiectul prezentei invenții.

Motorul 1 recuperează o parte din energia cinetica a gazelor de evacuare produse in camera de ardere 3 cu ajutorul unei instalatii 31, ca in figurile 6 si 7. In acest scop cele doua chiulase 29 si 30 sunt puse in legătură prin intermediul unei conducte de transfer 32 controlate la chiulasa 29 de o supapa 33, de evacuare din camera de ardere 3, si la chiulasa 30 de o supapa 34, de intrare in camera auxiliara 4. Pe traiectul conductei de transfer 32 este montat un convertor catalitic 35, ce transforma oxizii de azot in azot. In amonte sau in aval de convertorul catalitic 35 este montat un injector 36 , suplimentar, de hidrogen, pentru postardere. Intr-o alta varianta injectorul 36, suplimentar poate fi montat pe chiulasa 30 pentru a face injecția suplimentara de combustibil in camera auxilara 4. Camera auxiliara 4 se alimentează cu aerul atmosferic provenit de la un filtru de aer 37. Intrarea aerului in camera auxiliara 4 este controlata de o supapa 38 de admisie. Evacuarea gazelor, constituite in principal in majoritate din vapori de apa, din camera auxiliara 4 se face cu ajutorul unei supape 39, de evacuare. O a doua conducta 40, de supraalimentare, face legătură intre camera auxiliara 4 si camera de ardere 3. Pe traseul conductei 40 este montat un intercooler 41 care răcește aerul comprimat provenit din camera auxiliara 4 înainte de a fi introdus in camera de ardere 3. Conducta 40 este controlata de o supapa 42, ce asigura refularea aerului comprimat din camera auxiliara 4 si de o supapa 43, care controlează admisia aerului comprimat in camera de ardere 3. In funcționare, in camera de ardere 3 are loc un ciclu motor in patru timpi cu supraalimentare, controlat de supapa 43, de admisie, si de supapa 33, de evacuare, după o succesiune de faze convenționale descrise in figura 7 in funcție de unghiul de rotatie al arborelui cotit 15. Combustibilul utilizat este hidrogenul care de preferința este injectat direct in camera de ardere 3 inițiind arderea ceea ce produce deplasarea elementului mobil comun 5 pe perioada unei destinderi considerate principale. Gazele arse sunt evacuate in conducta de transfer 32 ce face legătură cu camera auxiliara 4. Concomitent, in camera auxilara 4 are loc o a doua destindere, cea suplimentara, ceea ce permite deplasarea in sens invers a elementului mobil comun 5. In următoarea cursa gazele sunt evacuate din camera auxiliara 4 si directionate spre atmosfera exterioara. In cursa de sens contrar următoare, in camera auxilara 4 este admis aer proaspăt care este comprimat apoi de elementul mobil comun 5 ca intr-un compresor volumetric. Aerul sub presiune este expulzat spre camera de ardere 3 prin intermediul conductei 40, de supraalimentare. In consecința intr-o prima faza camera auxiliara 4 este utilizata pentru a produce o a doua destindere, cea suplimentara, a gazelor provenite din camera de ardere, ca in figura 7. Intr-o a doua faza camera auxiliara 4 este utilizata ca un compresor volumetric ce produce supraalimentarea camerei de ardere 3. In acest caz, elementul mobil comun 5 executa doua curse motoare ce extrag lucrul mecanic produs pe fiecare ciclu motor, respectiv pe durata a doua rotatii ale arborelui cotit 15. Injectorul 36 este utilizat atunci cind este necesara o putere sporita pe perioade scurte (asa-zisa funcționare „over-power) si introduce o cantitate suplimentara de combustibil in gazele arse către sfirsitul cursei de evacuare din camera deardere 3, respectiv la sfirsitul cursei de destindere din camera auxiliara 4. Datorita temperaturii gazelor, combustibilul se inflamează si realizează o creștere brusca a presiunii din camera auxiliara 4 la sfirsitul celei de-a doua destinderi in asa fel incit elementul mobil comun 5 sa producă un lucru mecanic suplimentar.

Acest motor 1 poate funcționa in camera de ardere 3 după ciclul cu aprindere prin scinteie, după ciclul cu aprindere prin comprimare sau după orice alt tip cunoscut (Miller, Atkinson, cu amestec omogen, cu ardere mixtă, etc.).

Pot fi realizate motoare cu șiruri paralele de cilindrii, arborii cotiți având manetoanele decalate in mod corespunzător.

Intr-un alt exemplu de realizare un motor recuperativ utilizează un element mobil comun 50 ce folosește un piston auxiliar de forma circulara 51, ca in figura 8. In consecința cilindrul auxiliar (nefigurat) prezintă o secțiune transversala circulara.

Intr-o varianta hibrida motorul 1 antrenează cel puțin o mașina electrica reversibila 60 ca in figura 9. In acest caz una din turațiile utilizate este fixata in zona randamentului maxim al motorului 1.

Motoarele prezentate pot de asemenea utiliza si alti combustibili regenerabili lichizi sau gazosi.

Claims (7)

1. Motor recuperativ de tipul celor care realizează o recuperare parțiala a energiei gazelor de evacuare in interiorul sau caracterizat prin aceea ca un motor (1) include in interiorul unui bloc motor (2) cel puțin o camera de ardere (3) si cel puțin o camera auxiliara (4) ambele de volum variabil, si camera de ardere (3) si camera auxiliara (4) au aceiași axa de simetrie si sunt situate in opoziție, si in camera de ardere (3) si camera auxiliara (4) culiseaza un element mobil comun (5), si elementul mobil comun (5) conține la un capat un piston motor (6), de forma ovala, avind o anumita suprafața (7) ce delimitează camera de ardere (3), si elementul mobil comun (5) conține la celalalt capat un piston auxiliar (8), de preferința de forma ovala, avind o anumita suprafața (9) ce delimitează camera auxiliara (4), si suprafața (9) a pistonului auxiliar (8) este de citeva ori mai mare decit suprafața (7) a pistonului motor (6), si pistonul motor (6) si cel auxiliar (8) sunt rigidizate intre ele prin intermediul a patru brațe (14), si in spațiul dintre brațele (14), respectiv in zona mediana motorului (1), se rotește un arbore cotit (15) ce conține cel puțin un maneton (16) încadrat de doua manivele (17) si cel puțin doua fusuri paliere (18) suspendate pe niște lagare (19), si legătură dintre elementul mobil comun (5) si arborele cotit (15) se realizeza prin intermediul unei biele (20) care are un picior (21) articulat pe manetonul (16) si un cap (22) articulat pe un boit (23), boitul (23) fiind fixat intr-un orificiu cilindric (24) al pistonului motor (6), si blocul motor (2) este compus din doua semi-blocuri unul motor (25) si altul auxiliar (26) unite in zona mediana a motorului (1) in asa fel incit sa fixeze lagărele (19) ale arborelui cotit (15), si semi-blocul motor (25) conține un cilindru motor (27), care prezintă o secțiune ovala, si

RO 138043 A2 „

9/⁵ semi-blocul auxiliar (26) conține un cilindru auxiliar (28), care prezintă o secțiune ovala, si cilindru motor (27) este închis la capat de o chiulasa (29), si cilindru auxiliar (28) este închis la capat de o alta chiulasa (30).

2. Motor ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca motorul (1) recuperează o parte din energia cinetica a gazelor de evacuare produse in camera de ardere (3) cu ajutorul unei instalatii (31), si chiulasele (29) si (30) sunt puse in legătură prin intermediul unei conducte de transfer (32) controlate la chiulasa (29) de o supapa (33), de evacuare din camera de ardere (3), si la chiulasa (30) de o supapa (34), de intrare in camera auxiliara (4), si pe traiectul conductei de transfer (32) este montat un convertor catalitic (35), ce transforma oxizii de azot in azot, si pe traiectul conductei de transfer (32) este montat un injector (36), suplimentar, pentru postardere, si camera auxiliara (4) se alimentează cu aerul atmosferic provenit de la un filtru de aer (37), si intrarea aerului in camera auxiliara (4) este controlata de o supapa (38) de admisie, si evacuarea gazelor din camera auxiliara (4) se face cu ajutorul unei supape (39), de evacuare, si o a doua conducta (40), de supraalimentare, face legătură intre camera auxiliara (4) si camera de ardere (3), si pe traseul conductei (40) este montat un intercooler (41) care răcește aerul comprimat provenit din camera auxiliara (4) înainte de a fi introdus in camera de ardere (3), si conducta (40) este controlata de o supapa (42), ce asigura refularea aerului comprimat din camera auxiliara (4) si de o supapa (43), care controlează admisia aerului comprimat in camera de ardere (3).

3. Motor ca la revendicarea 2 caracterizat prin aceea ca injectorul (36), suplimentar este insatalat in chiulasa (30) pentru a injecta combustibil in camera auxiliara (4).

4. Metoda de operare a unui motor recuperativ caracterizata prin aceea ca in camera de ardere (3) are loc un ciclu motor in patru timpi cu supraalimentare, controlat de supapa (43), de admisie, si de supapa (33), de evacuare, si combustibilul utilizat este injectat direct in camera de ardere (3) inițiind arderea ceea ce produce deplasarea elementului mobil comun (5) pe perioada unei destinderi considerate principale, si gazele arse sunt evacuate in conducta de transfer (32) ce face legătură cu camera auxiliara (4), si intr-o prima faza camera auxiliara (4) este utilizata pentru a produce o a doua destindere, cea suplimentara, a gazelor provenite din camera de ardere, si intr-o a doua faza camera auxiliara (4) este utilizata ca un compresor volumetric ce produce supraalimentarea camerei de ardere (3), si elementul mobil comun (5) executa doua curse motoare ce extrag lucrul mecanic produs pe fiecare ciclu motor, respectiv pe durata a doua rotatii ale arborelui cotit (15).

5. Metoda ca la revendicarea 4 caracterizata prin aceea ca injectorul (36) este utilizat atunci cind este necesara o putere sporita pe perioade scurte si introduce o cantitate suplimentara de combustibil in gazele arse la sfirsitul cursei de evacuare din camera de ardere (3), respectiv la sfirsitul cursei de destindere din camera auxiliara (4), si datorita temperaturii gazelor, combustibilul se inflamează si realizează o creștere brusca a presiunii din camera auxiliara (4) pe perioada destinderii suplimentare in asa fel incit elementul mobil comun (5) sa producă un lucru mecanic suplimentar.

6. Motor ca la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca utilizează un element mobil comun (50) ce folosește un piston auxiliar de forma circulara (51).

7. Motor hibrid caracterizat prin aceea ca motorul 1 antrenează cel puțin o mașina electrica reversibila (60).