RS52086B - Radijalno-rotacioni bezventilski četvorotaktni motor sus - Google Patents

Abstract

Radijalno-rotacioni bezventilski četvorotaktni motor SUS sa potpunijim širenjem radnog tela sastoji iz donjeg dela (1) bloka motora i gornjeg dela (2) bloka motora u kome je smešten jedan ili više rotora (9) takvih da svaki obimno sa unutrašnje strane ima čvrsto vezan zupčanik (13) sa unutrašnjim ozubljenjem kao i radijalno smeštene cilindre sa klipovima (6) povezane preko klipnjača (7) i osovinica klipova (8) sa pogonskim vratilom (5) za koje je čvrsto vezan zupčanik (12) i koje je uležišteno u donjem delu (1) bloka motora, u kome je uležišteno i malo vratilo (20) za koje su čvrsto vezani zupčanici (18, 19), pri čemu je zupčanik (18) spregnut sa zupčanikom (13) rotora, a zupčanik (19) spregnut sa zupčanikom (12) na pogonskom vratilu (5), naznačen time što je osa obrtanja pogonskog vratila (5) postavljena ekscentrično u odnosu na osu obrtanja rotora (9).Prijava sadrži još 2 zavisna patentna zahteva.

Description

a)Oblast tehnikenakojusepronalazak odnosi

Pronalazak pripada oblasti mašinstva, odnosno motorima sa unutrašnjim

sagorevanjem, u daljem tekstu motorima SUS. Predstvalja jednu od mogućih izvedbi četvorotaktnog koncepta motora SUS.

b) Tehnički problem

Motori SUS predstavljaju mašine koje pretvaraju hemijski vezanu energiju goriva

u mehanički rad. U takvom motoru se hemijska energija goriva pretvara u potencijalnu energiju produkata sagorevanja koja se zatim pretvara u mehanički rad. Kao u svim realnim sistemima prirode, konverzija energije iz jednog oblika u drugi uvek je praćena gubicima, u skladu sa tim svaki motor SUS vrši konverziju enrgije sa izvesnim gubicima. Sobzirom na činjenicu daje količina energije konstantna i da ona samo menja svoj oblik, navodi na to da sav potencijal koji je dobijen iz hemijske energije goriva ako ne bude iskoršćen na mehanički rad biće upotrebljen na promenu energetskog stanja nekog drugog tela. To drugo telo je prirodna okolina. Na osnovu ovoga se lako zaključuje da svaki motor SUS mora što bolje iskoristiti energiju koja mu je data gorivom, ne samo zbog ekonomičnosti procesa (što je svakako bitna karakteristika svakog mehanizma) već i zato što će se ta neiskorišćena energija usmeriti na zagrevanje prirodne okoline. Drugim recima, svaki motor SUS mora imati što je mogući veći koeficijent iskorišćenja (efikasnost).

Iz svega navedenog proizilazi da je tehnički problem povećanje efikasnosti

motora SUS. Odnosno rešavanje nekoliko tehničkih problema koji će rezultovati

sveukupnom povećanom efikasnošću. Tehnički problemi koji su rešeni ovom

konstrukcijom su sledeći:

-realizovanje Milerovog ciklusa (ciklusa potpunijeg širenja radnog tela) u

četvorotaktnom konceptu motoraSUS,

-realizovanje bezventilskog razvoda radne materije motora SUS,-smanjivanje koeficijenta zaostalih gasovaij— ~~r~) u motorima SUS,

-smanjivanje pumpnog rada motora SUS,

-povećanje stepana sabijan ja motoraSUS

Gde sve navedene prednosti rezultiraju manjom specifičnom potrošnjom odnosno povećanju efikasnosti motora SUS, što je i navedeno kao glavni tehnički problem.

c)Stanje tehnike

Danas postoji veoma veliki broj uspelih konstrukcija motora SUS, koje se koriste

na raznim poljima primenjene nauke i tehnike. Međutim četvorotaktni klipni mehanizam koji se danas najviše koristi bazirana je na neefikasnom konceptu.

Realno gledano današnji oto motori koriste oko 25 % uložene enrgije, dok dizel konstrukcije oko 30% u nekim slučajevima može da se očekuje i malo više. Oko 35% kod oto motora i 30% toplote kod dizel motora se odvodi kroz izduvne gasove i oko 33% na hlađenje motora kod obe izvedbe, ostalih 7% se pripisuje trenju i zračenju. Radi ilustracije može da se uzme u obzir sagorevanje jedne litre goriva u klasičnom motoru SUS. Sagorevanjem ove zapremine goriva oslobađa se približno oko 39[MJ] energije, na izlaznom vratilu motora se generiše samo negde oko 13[MJ], dok sa ostalih 26[MJ] motor zagreva prirodno okruženje.

Toplotni i mehanički gubici su odgovorni za prikazanu neefikasnost koncepta. Nesavršenstvo konstrukcije klipnog mehanizma je u najvećoj meri razlog i mehaničkih i termičkih gubitaka. Prosta kinematika klipnog mehanizma ne dozvoljava manipulisanjem hoda klipa (sto je jedan od uzroka termodinamičkih gubitaka), sa druge strane klasičan razvod radne materije (ventilski razvod) je jedan od izvora mehaničkih gubitaka. Od svoga nastanka do danas klipni mehanizam se nije suštinski menjao, što je jedan od glavnih uzročnika niskog indikatorskog koeficijenta korisnosti i niskog mehaničkog koeficijenta korisnosti.

Motor SUS je motor koji koristan mehanički rad dobija iz desnokretnog kružnog termodinamičkog ciklusa, prema tome rezultati takvog ciklusa (gde se pre svega misli na njegovu ekonomičnost) će zavisiti od toga na koji način se motor SUS ophodi prema radnom telu. Stoga je dobro uporediti termodinamički ciklus motora SUS sa termodinamičkim ciklusom koji imaju maksimalno iskorišćenje toplote. Najekonomičniji termodinamički ciklus u prirodi je Karnotov ciklus. Prikaz promena stanja radnog tela tokom ovog ciklusa može se videti na slikama 1 i 2 (slike koje se odnose na deo stanje tehnike).

Vidi se da radna materija u njemu menja stanje duž dve izotermne i izentrope. Pomenuti ciklus poseduje najveću moguću površinu T-S dijagrama što rezultuje najvećem mogućem stepenu iskorišćenja, koji u ovom slučaju zavisi samo od7??iTm?K,Odnos uporednog ciklusa današnjeg motora SUS (na primer Sabateovog ciklusa) sa Karnotovim ciklusom se posmatra kako je i očekivano u T-S dijagramu, gde se procesi odvijaju u istim granicama temperature i entropije-prikazano slikom 3.

Za razliku od Karnotovog ciklusa, gde se toplota dovodi pri konstantnoj temperaturi, kod Sabateovog ciklusa toplota se sistemu dovodi delom pri konstantnoj zapreminiQDi delom pri konstantnom pritiskuQD( gde temperatura radnog tela raste od vrednostiTcdoTz).Detaljnijom analizom dobija se veća vrednost stepena iskoričćenja Karnotovog ciklusa u odnosu na Sabateov ciklus, razlog toga je što se Karnotov ciklus termodinamički mnogo bolje odvija. Sa prikazanih slika se može uočiti da se kod Karnotovog ciklusa toplota dovodi za vreme širenja radnog tela ( kriva 3-4 slika 2) a odvodi prilikom sabijanja radnog tela(kriva 1-2 slika 2). Za korisno je napomenuti da se toplota odvodi i dovodi samo delom sabijanja i delom širenja. Uočava se takođe da se toplota dovodi pri T-const što za posledicu ima visoku srednju integralnu temperaturu dovođenja i nisku srednju integralnu temperaturu odvođenja toplote. Glavna razlika između Karnotovog ciklusa i stvarnog procesa u motoru SUS se ogleda u činjenici da se kod Karnotovog ciklusa toplota odvodi prilikom sabijanja a dovodi prilikom širenja za razliku od motora SUS gde se radno telo zagrava jednim delom tokom sabijanja zbog postojanja okoline motora koja ima višu temperaturu, i jednim delom se toplota odvodi od radnog tela tokom širenja(deo ciklusa kada radno telo ima višu temperaturu od okoline). Oto ciklus svakako ima malo pogodniji P-V dijagram u poređenju sa P-V dijagramom Dizel motora, međutim oba ova ciklusa su termodinamički gledano veoma neefikasni. Kod današnjih konstrukcija motora rad se uglavnom dobija politropskom ekspanzijom (politropno širenje), i to u onom vremenskom periodu kada se od radnog tela oduzima njegova unutrašnja energija ( toplota radnog tela prelazi na klip, zidove cilindra, glavu motora, ventile... ). Ovo je samo jedan od razloga zašto današnji motori ne mogu da daju bolje rezultate, rezultate bliže Karnotovom ciklusu. Pored ovih razlika, treba napomenuti da Karnotov ciklus iziskuje izmenu velike radne zapremine kao i veliki odnos maksimalnog i minimalnog pritiska tokom rada, ove karakteristike onemogućuju primenu u motorima. Međutim Karnotov ciklus iako idealan i na prvi pogled nedostižan je veoma pogodan za uviđanje pravca u kome bi trebao da teče razvoj motora. Veliki koeficijent korisnosti ovog ciklusa leži u činjenici da Karnotov ciklus mnogo bolje koristi temperaturnu neravnotežu. Drugim rečima, potrebno je obezbediti motoru što je moguće veću srednju integralnu temperaturu prilikom dovođenja toplote i što je moguće manju srednju integralnu temperaturu prilikom odvođenja toplote. Na slici 3 prikazane su određene temperaturne granice između dva ciklusa, isto tako u realnim sistemima postoje određene granice koje su uslovljene raznim faktorima (toplotnim ponorom, izdržljivosti materijala, samopaljenjem goriva i si.). Od suštinskog značaja je da se temperatura radnog tela kreće što je moguće bliže tim granicama za vreme dovođenja i odvođenja toplote. U skladu sa tim na slici 4 je skicirano kako smanjenje srednje integralne temperature prilikom odvođenja toplote utiče na povećanje korisnosti (veće površine T-S dijagrama).

Niža srednja integralan temperatura se može ostvariti time što će radno telo vršiti rad do što je moguće većeg zapremenskog prostora. Da bi T-S dijagram motora SUS izgledao kao na slici 4 potrebno je da se klipu obezbedi duži hod širenja od hoda sabijanja. Prosta kinematika klipnog mehanizma standardnog motora SUS takav zahtev ne može da isprati.

Danas postoji više načina na koji se koristi energija potpuno ekspandiranog (raširenog) radnog tela:

- Atkinsonov ciklus,

- Milerov ciklus,

- turbo prehranjivanje.

Atkinsonov ciklus:

Aočev od 1885. godine, isprobani su brojni mehanizmi u cilju postizanja rada

motora po ovom ciklusu koji ima duži takt širenja od takta sabijanja. Samo malobrojna

rešenja izašla su na tržište ukazujući na teškoće prisutne u razvoju. Zapravo povećanje

kompleksonsti konstrukcije iziskivalo je upofrebu specifičnih delova, poskupljivalo

proizvodnju i neminovno donosilo povećanu težinu agregata. Ekonomičnost u

eksploataciji teško da je mogla da opravda dodatna ulaganja.

Milerov ciklus:

Milerov ciklus je zapravo modernija verzija Atkinsonovog ciklusa koja takođe poseduje veći stepen širenja u odnosu na stepen sabijanja ali je to postignuto na drugačiji način. Glavna mana Milerovog ciklusa je ta što motor nema geometrijski duži takt širenja u odnosu na sabijanje nego se potpunije širenje dobija skraćivanjem procesa sabijanja. Skraćivanjem u smislu da usisni ventili ostanu otvoreni i dobrim delom u toku takta sabijanja pa se na taj način sabija manja količina radnog tela. Ovi motori nisu zaživeli iz razloga povećanih gabarita i težine kao i cene u odnosu na konvencionalnu gradnju.

Turbo prehranjivanje:

Može se reći da su turbo motori danas jedini motori koji koriste unutrašnju energiju izduvnih gasova. Zapravo oni koriste unutrašnju energiju radnog tela da bi povećali energetski nivo rada motora. Sem toga ovi uređaji povećavaju pritisak u izduvnom kolektoru što ne ide u prilog ekonomičnosti. Prehranjivani motori sa jedne strane umanjuju toplotne gubitke prilikom dovođenja toplote a sa druge strane uvećavaju toplotne gubitke prilikom odvođenja toplote. Eksergijska analiza govori da su ti gubici prilikom odvođenja toplote uvek veći od očuvanja toplote prilikom njenog dovođenja i da ta razlika raste sa povećavanjem stepena prehranjivanja. Glavni nedostatak prehranjivanih motora leži u činjenici, da se ovde potencijalna energija potpuno raširenog radnog tela u turbini pretvara u rad. Taj dobijeni rad se ne koristi za povećanje stepena korisnosti već se troši na povećanje unutrašnje energije novog punjenja - odnosno turbo motori koriste jedan deo potencijalne energije radnog tela na povećanje količine sveže smeše.. Tako da se lako dolazi do konstatacije da prehranjivani motori mogu da koriste potencijal potpuno raširenog radnog tela ali ne u pravcu povećanja korisnosti ciklusa već u cilju povećanja radne sposobnosti motora SUS.

Može se doći do sledećeg zaključka. Savremeni motori bi morali biti motori sa potpunim širenjem radnog tela iz razloga većeg iskorišćenja unutrašnje energije radnog tela. Širenje radnog tela ne treba izvoditi nekim dopunskim uređajem (turbo punjači) iz evidentnih razloga. Turbo punjači iziskuju određenu cenu gradnje, održavanja, remonta. Povećavaju komplikovanost gradnje, rade na visokim obrtajima i predstavljaju vitalan deo celokupne konstrukcije u smislu otkazivanja rada (nije retko da zbog havarije na turbini nastanu mnogo ozbiljniji kvarovi celokupnog mehanizma motora). Sem toga, radno telo prilikom kretanja do turbo punjača gubi jedan deo svoje unutrašnje energije. Izduvni kolektor nije adijabatan, niti može da bude adijabatan. Turbinsko i kompresorsko kolo poseduje svoje mehaničke i termičke stepene efikasnosti. Unutrašnja energija radnog tela se koristi za sabijanje novog svežeg punjenja, gde se prilikom tog sabijanja sveže punjenje zagreva i tom prilikom mu se povećava unutrašnja energija u to u krajnje nepovoljnom trenutku-u trenutku kada klip treba da izvrši rad na novom punjenju. Iz tog razloga turbo punjači iziskuju gradnju novih uređaja (hladnjaka) koji se postavljaju iza kompresorskog kola i za čiji rad opet treba izdvojiti deo energije. Treba napomenuti da i hladnjaci( intercooler- i)rade sa gubicima, odnosnointercooler- inepovratno uzimaju jedan deo energije, ta nepovratnost se ogleda u činjenici da se ovi uređaji hlade u toku rada. Sa druge strane radno telo treba da vrši svoje širenje ali ne na račun sabijanja kao što se to odvija u Miller-ovom motoru, jer se na taj način konstruiše motor SUS mnogo veće radne zapremine i po uloženom materijalu i po dimenzijama. Milerovi motori takođe poseduju i nešto veći pumpni rad jer dolazi do bespotrebnog ulaska i izlaska sveže smeše u cilindar motora.

Generalno gledano radno telo se mora potpuno raširiti u onom prostoru gde

je započelo njegovo širenje, odnosno u cilindru motora.Iz razloga što svaki drugi način korišćenja energije potpuno raširenog radnog tela dovodi do većih ili manjih gubitaka. Razloga tih gubitaka predstavlja transport radnog tela do dopunskog uređaja i konverzije jednog oblika energije u drugi kao i ostalim uticajnim faktorima koji su bili spomenuti u ovom delu teksta. Da bi se postiglo potpunije širenje radnog tela neophodno je da kinematika klipnog mehanizma bude tako koncipirana da obezbedi kretanje klipa koji će imati duži hod širenja nego hod sabijanja kao što je to prikazano na slici 9.

Pored ovog nedostatka, današnji motore karakteriše i relativno visok koeficijent zaostalih gasova. Ovaj koeficijent je vrlo usko povezan sa konvencionalnom kinematokom klipnog mehanizma.

Koeficijent zaostalih gasova predstavlja odnos broja molova zaostalih produkata sagorevanjaMri broja molova novog svežeg punjenja?]ci označava se sa/(gama)-definisano relacijom 1. Odnosno ovaj koeficijent predstavlja kvalitet čišćenja cilindra od zaostalih produkata sagorevanja. Što je ovaj koeficijent veći, veći je udeo produkata sagorevanja u novo usisanoj smeši. gdeje :

pr- apsolutni pritisak zaostalih produkata sagorevanja,

Tr- apsolutna temperatura zaostalih produkata sagorevanja,

Vc- kompresiona zapremina cilindra,

8314 - univerzalna gasna konstanta.

Zaostali produkti sagorevanja imaju u suštini negativan uticaj na rad motora iz sledećih razloga: zagrevaju svežu smešu u nepovoljnom trenutku, u trenutku kada treba da se izvrši rad nad radnim telom.

zagrevaju radno telo pri čemu se ono širi i količinski smanjuju ulazak novog svežeg punjenja,

zauzimaju određenu zapreminu u cilindru motora i time količinski smanjuju zapreminu za ulazak sveže smeše.

Postojanje zaostalih produkata sagorevanja u cilindru motora se odražava na efikasnost motora na sledeći način. Kada sveža smeša uđe u cilindar motora, ona se meša sa zaostalim produktima sagorevanja i time se povaćava temperatura sveže smeše. Povećavanje temperature sveže smeše pre kompresije je veoma nepovoljno. Iz razloga što temperatura na kraju sabijanja zavisi od temperature na početku sabijanja. Odnosno što je temperatura početka sabijanja niža, biće niža i temperatura na kraju sabijanja. Lako se dolazi do zaključka da sa nižom temperaturom na početku sabijanja može da se konstruiše motor sa većim stepenom sabijanja, jer je potreban veći pritisak u cilindru motora da bi se dostigla kritična temperature (temperatura samopaljenja goriva). Kako efikasnost motora zavisi od stepena sabijanja, zaključuje se da se sa nižim temperaturama na početku sabijanja stvaraju uslovi za efiksaniji rad motora.

Jedina prednost zaostalih gasova ogleda se u činjenici da smanjuju temperaturu sagorevanja ispod granice na kojoj nastaju pojedini štetni gasovi koji su izuzetno nepovoljni. Međutim, količina zaostalih gasova u kompresionoj zapremini se menja u zavisnosti od režima rada motora što dodatno utiče na celokupne parametre radne smeše, a danas se koriste dodatni uređaji koji precizno kontrolišu recirkulaciju izduvnih gasova i time utiču na ekologičnost motora (EGR ventili). Drugim rečima motor SUS bi trebao da poseduje takav mehanizma koji neće generisati bilo kakve zaostale gasove, odnosno da vrednost koeficijenta zaostalih gasova bude približna nultoj vrednosti.

Problem postojanja zaostalih produkata sagorevanja u cilindru motora je posledica proste kinematke klipnog mehanizma. Takt sabijanja ne može da se odvija bez postojanja kompresione zapremine, sa druge strane za takt izduvavanja ova kompresiona zapremina predstavlja zapreminu koju klip ne može da 'prebriše' i iz tih razloga u njoj ostaju neizbačeni produkti sagorevanja. Prilaz konstrukciji motora SUS treba da bude tako usmeren da se omogući potpuno pražnjenje cilindra tokom takta izduvavanja

Potpuno pražnjenje radnog volumena nije moguće sa konvencionalnom kinematikom klipnog mehanizma, klipu je potrebno obezbediti duži hod izduvavanjaod hoda sabijanjakao što je to prilazano na slici 10.

Napomena:

Zaostali gasovi imaju pozitivnu ulogu u nekim malobrojnim modernim izvedbama

motora, gde se zapravo uz pomoć njih menja količina sveže smeše koja ulazi u cilindar

( aktivna radna zapremina- SCC motori), ali je i ovde od značaja njihova veoma precizna

recirkulacija koja se naknadno vrši i koja nema veze sa zaostalim gasovima u

kompresionoj zapremini.

Još jedna odlika današnjih konstrukcija biće analizirana sledećim tekstom.

Stepen kompresije ili stepen sabijanja predstavlja najvažniji faktor koji utiče na parametre motora, ako se obrati pažnja na zavisnosti date relacijama 3 (relacije za računanje stepena korisnosti) videće se da je ovaj koeficijent od presudnog značaja za ekonomičnost ciklusa, pogotovo oto ciklusa gde je on i jedini faktor (koeficijent adijabate (k) nije faktor koji zavisi od konstrukcije motora, zavisi od svojstva radne materije).

Na koji način stepen sabijanja utiče na termodinamičku korisnost procesa prikazano je na slici 5. Uticaj stepena sabijanja i zavisnost koeficijenta korisnog dejstva od ovog faktora je danas relativno dobro proučena. Prilikom konstrukcije motora uvek se nastoji da se ostvari što je moguće veći stepen sabijanja, koji naravno zavisi od oktanske vrednosti goriva (oto motori). Međutim neki drugi faktori koji su uslovljeni klasičnom pristupu gradnje motora imaju uticaj na stepen sabijanja. Ovde se pre svega misli na oto ciklus gde se paljene smeše vrši prinudno i gde je stepen sabijanja znatno manji nego kod dizel motora.

Prinudno paljenje smeše goriva i vazduha je veoma kompleksan proces, samim tim što posle pojave varnice dolazi do početka procesa sagorevanja. U konvencionalnim oto motorima paljenje se vrši preko samo jedne svećice u 99% slučajeva. Ona je locirana u komori za sagorevanje i to uglavnom negde na njenoj sredini. Sagorevanje radne smeše teče u više faza, u osnovnoj fazi sagoreva negde oko 85% goriva, za vreme ove faze front plamena dostiže brzinu oko 70[m/sj. Sfera fronta plamena se kreće po celoj komori za sagorevanje pomenutom brzinom. Prilikom tog kretanja postoje određeni delovi do kojih kasnije stiže površina fronta plamena, to je jedan od razloga zbog kojeg se sagorevanje u cilindru sporije odvija. Sporije sagorevanje dovodi do manje termodinamičke korisnosti procesa. Povećanje brzine rasprostiranja fronta plamena moguće je ostvariti postavljenjem većeg broja žarišta u komori za sagorevanje.

Postavljanjem dve svećice u glavi motora dolazi do toga da front plamena pokrije veću nesagorelu zapreminu po jedinici vremena.. Konkretno ispitivanja pokazuju daje to povećanje oko 40% u odnosu na istu komora sa jednom svećicom. Veća ostvarena brzina sagorevanja dovodi do većeg stepena porasta pritiska sve ovo rezultuje većem obrtnim momentom, većem iskorišćenju goriva i manjoj štetnoj emisiji gasova. Danas postoje takvi uspeli projekti sa dve svećice po cilindru ali u veoma malom broju:Alfa RomeoTS motori,Honda Jazz,vozilaMercedes- aiPorshe- a..Razlog zbog koga ovakav pristup konstruisanju komore za sagorevanje nije naišao na odziv kod drugih proizvođača jeste sama kompleksnost cilindarske glave. Veoma je teško smestiti četiri ventila i dve svećice u jednu komoru za sagorevanje, ne samo sa geometrijskog aspekta, već i sa dinamičkog, gde se pre svega misli na očuvanje krutosti a samim tim i pouzdanosti cilindarske glave.

Mercedes- ovi i Porshe- ovi motori su motori sa tri ventila po cilindru, gde konstruktivno i

ima mesta za dve svećice za razliku od ostalih proizvođača koji uglavnom forsira/ u

četvoroventilski koncept i koji su iz tog razloga odustali od ovog koncepta.

Pored toga što koncept sa više svećica rezultuje čistijem sagorevanju i boljem pokrivanju problematičnih zona komore za sagorevanje, ovakav pristup u sadejstvu prateće elektronike gde se paljenje pojedinih žarišta može vršiti redosledno dovodi do manje mogućnosti od detonatnog sagorevanja. Gde se za isto gorivo mogu konstruisati motori većeg stepena sabijanja, parametar oko koga je i počela priča u ovom delu teksta, parametar koji je od presudnog značaja za ekonomičnost. Na sledećeoj slici 6 data je oblast u kojima se danas kreće stepen sabijanja kod oto motora sa jednom svećicom (šrafirana oblast) i data je jedna linija ( isprekidana ) koja označava vrednost stepena sabijanja i konkretnu korisnost oto motora sa dve svećice . Reč je pogonskom agregatu motociklaBMWF650GSkoji poseduje geometrijski stepen sabijanja od 11,5.

Savremeni motori bi trebali biti motori sa većim brojem žarišta iz dva veoma bitna razloga - ekonomičnost i ekologičnost. Današnja koncepcija ne dozvoljava povećanje tog broja, veoma su retke konstrukcije i sa dve svećice, a koncepti sa tri ili više žarišta ne mogu ni da se zamisle u današnjim motorima, a baš takvi koncepti bi doveli do povećanja efikasnosti motora SUS.

Bitna karekteristika svakog motora jeste veličina njegovog pumpnog rada. Pumpni radLprje definisan sledećom relacijom koja je data u sastavu slike 7.

Sa slike se uočava odnos površine pumpnog rada u odnosu na površinu koja donosi rad, i kao što se može videti levokretni deo ciklusa nije zanemarljivo manji. Za razliku od idealnih ciklusa kod kojih ne postoji površina koju obuhvata pumpni rad realni ciklusi kako je poznato poseduju levokretni deo promene stanja, to je jedan od razloga zbog čega je idealni ciklus ekonomičniji od realnog, i razlog težnje da se smanji pumpni rad. Svi gubici vezani za pumpni rad proizilaze iz kretanja sveže smeše. U realnim uslovima pumpni rad nikada ne može biti jednak nultoj vrednosti, jer se uvek mora uložiti rad na transport sveže smeše i produkata sagorevanja. Međutim da li gubici pumpnog rada moraju biti baš toliki? Svakako ne, protočni preseci kroz koje struju sveža smeša su najvećom merom odgovorni za pomenute gubitke. Veličina protočnih preseka kod konvencionalnih motora SUS je takva da je ona definisana najvećim delom prečnikom pečurke ventila na punim opterećenjima, i veličinom zatvorenosti leptira na parcijalnim opterećenjima. Naravno veličina pumpnog rada ne zavisi samo od toga, ona je pre svega proizvod inercije sveže smeše, kvaliteta izrade unutrašnje površine usisnog i izduvnog kolektora kroz koje se kreće sveža smeša i produkti sagorevanja i drugih manje uticajnih faktora. Smanjivanjem poprečnog preseka drastično utiče na otpore kretanja, iz tih razloga povećanje broja ventila po cilindru motora je dugo bila tendecija razvoja mehanizma za razmenu radne materije. Današnja izvedba ovog mehanizma ne dozvoljava veća povećanja površine kroz koju ulazi i izlazi radna materija. Razlozi za to leže u prostoj geometriji ovog mehanizma. Najveći problem je u tome što su usisini i izduvni ventili u istoj komori. Ovom karakteristikom današnje konstrukcije dvostruko smanjuju potencijalni poprečni presek za kretanje radne materije, šta više današnje konstrukcije ne mogu da ostvare ni tih očekivanih 50%. Uglavno se taj odnos kreće na sledeći način: oko 25 % površine pokrivaju usisni ventili i isto toliko izduvni, ostalih 50% zauzima neiskorišćena površina. Povećavanjem broja ventila konstrukcija ostvaruje veće protočne preseke, to povećanje nije veliko i nikada neće biti jednako preseku cilindra motora jer će u konvencionalnoj izvedbi uvek imati usisne i izduvne ventile u istoj komori. Bez obzira na broj ventila oni će se u konvencionalnom pristupu konstruisanja uvek nalaziti u istoj komori, materija koja struji će uvek nailaziti na grubu geometriju pečurke ventila koja menja smer strujanja za skoro 90 stepeni. Konvencionalni ventili takođe poseduju stablo ventila koji smanjuje koristan poprečni presek, tako što veličina prečnika stabla ventila utiče na povećanje srednje brzine strujanja radne materije. Postojanje ventila u glavi motora daje nepovoljnu sliku strujnica radne materije, u pojedinim delovima cilindra skoro da ni ne dolazi do vrtložnog kretanja, pa se zbog toga primenjuju neke druge metode u konstruisanju samog usisnog kanala (vrtložni, tangencijalni...) što svakako poskupljuje konstrukciju.

Ovo su ukratko bile mane današnjih motora, kao što je poznato današnji motor SUS ih ima dosta, ali je u ovom tekstu dat akcenat na one koje su donekle izmenjene u priloženom pronalsku.

Danas postoji mnogo predloženih konstrukcija motora koji u nekoj meri prevazilaze pojedine od ovih nedostataka. U ovoj prijavi je prezentovan jedan sasvim novi način za realizaciju četvorotaktnog ciklusa u motorima SUS. Pronalazak koji je u nekoj meri sličan sa pronalaskom koji će ovom patentnom prijavom biti prezentovan je opisan u dokumentu US5365892, međutim čak i kod ovog rešenja ne dolazi do realizacije potpunijeg širenja radnog tela što je suština pronalaska koji će ovom patentnom prijavom biti obuhvaćen.

d) Izlaganje suštine pronalaska

Suština pronalaska se ogleda u novoj konstrujciji motora SUS koja će omogućiti

promenu stanja radnog tela po novom P-V dijagramu (dijagram promene pritiska i zapremine u cilindru motora) koji je šematski prikazan na slici 8.

Na slici su naznačene promene stanja tokom hoda usisavanja, sabijanja, širenja i izduvavanja. Ovakva slika promene stanje radnog tela tokom jednog ciklusa nastala je iz težnje da se omogući potpunije širenje radnog tela prikazano slikom 9 i težnjom da se zaostali produkti sagorevanja potpuno otklone iz cilindra motora opisano slikom 10.

Na slici 9 je prikazan P-V dijagram gde se vrši potpuno širenje radnog tela, što je sa aspekta termodinamičkog iskorišćenja povoljno (objašnjeno u odeljku stanje tehnike).

Na slici 10 je prikazano na koji način bi trebalo izvesti kretanje klipa ukoliko bi se težilo potpunom pražnjenu komore za sagorevanje od produkata sagorevanja. Kao što se zapaža hod sabijanja i hod izduvavanja imaju različite dužine, odnosno hod izduvavanja je duži (objašnjeno u odeljku stanje tehnike).

Spajanjem ova dva dijagrama (uslova) dobija se P-V dijagram opisan slikom 8, koji se sastoji iz takvih promena stanja koja izuskuju taktove različitih dužina.

Drugim recima potrebno je realizovati takvo kretanje klipa gde su redosledni taktovi različitih dužina. Poznati krivajni mehanizam motora SUS takvo kretanje ne može da ostvari. Međutim klip ne mora da se kreće pravolinijski kako to nalaže poznati mehanizam, može da poseduje još jednu komponentu relativnog kretanja gde bi na taj način klip imao mnogo veću slobodu biranja željene putanje.

Na slici 11 prikazana je kinematička grupa koja se sastoji iz poznatog klipnog mehanizma gde je dodata još jedna veza u vidu klizača gde ulogu klizača ima klip, poluga po kojoj se klip kliže zapravo predstavlja osu cilindra. Uvedene su dve generalisane koordinate( CC \ j3 ).Predstavljeni sistem ima dva stepena slobode, i kao takav veoma je nepovoljan za izvođenje radnog ciklusa. Da bi se dati mehanizam sveo na sistem sa jednim stepenom slobode potrebno je obezbediti funkciju jednog ugla u odnosu na drugi. To se lako postiže dodavanjem zupčastog para, međutim zupčasti par se može dodati na dva načina. Prvi slučaj karakteriše porast oba ugla u istom smeru, dok je drugi rezervisan za porast generalisanih koordinata u suprotnim smerovima. Samo je drugi slučaj od značaja, porastom oba ugla u istom pravcu mehanizmu se ne daje dovoljno velika komponenta relativnog kretanja klipa u odnosu na cilindar. Dati mehanizam dobija sledeći šematski oblik prikazan kinematskom šemom na slici 12.

Kružnice na slici 12 predstavljaju zupčasti par koji će obezbediti funkcionalnu zavisnost jednog ugla u odnosu na drugi, takođe je naznačen i ugao~ CCkoji je ustvariugao J3sa prvog crteža . Prenosni odnos ovog zupčastog para može da bude samo -1. Bilo koji drugi prenosni odnos neće dati ponovljivost krive za svakih 360 stepeni obrtanja tačke K ( simbolizuje klipnu osovincu) oko ose pogonskog vratila ili neće davati tražene dužine taktova, a na takvim osobinama ne može da se bazira četvorotaktni koncept. Kako je prenosni odnos ustanovljen i iznosi pomenutih -1, može da se izračuna i nacrta oblik krive koju će opisivati uočena tačka klipa (K) u odnosu na nepokretnu tačku ( u ovom slučaju reč je o tački kroz koji prolazi osa pogonskog vratila). Jedna takva kriva prikazana je na slici 13.

Pomenuta kriva ima oblik sličan elipsi, međutim geometriju pravilne elipse narušavaju dužine Eii E2(definisane su na slikama 11 i 12) koje će sada biti objašnjene. Centar obrtanja cilindra i centar obrtanja pogonskog vratila udaljeni su za jednu određenu dužinu (L) čija se dužina jednostavno izračunava-izraz 4.

Dužine Eji E2su uvedene iz sledećih razloga. Kao što je bilo zahtevano od strane povoljnije slike P-V dijagrama klip mora imati duži hod širenja od hoda usisavanja. Sobzirom na činjenicu da ovakva kinematska šema omogućava klipu da obavi sva četiri takta obrtanjem za 360 stepeni oko neke fiksne tačke, takt širenja i takt usisavanja nalaziće se na suprotnim stranama te krive. Pomeranjem centra pogonskog vratila u odnosu na nepokretnu tačku (centar obrtanja cilindara) motoru se može obezbediti željeni stepen širenja radnog tela. Dužinska mera Eizapravo približno predstavlja polovinu razlike za koju će ekspanzioni hod biti duži od usisnog, iz tog razloga je uveden ovaj prvi ekscentricitet, ekscentricitet jedan (Ei). Drugi ekscentricitet (E2) je uveden iz razloga smanjenja koeficijenta zaostalih produkata sagorevanja. Kako se na pomenutoj krivi takt usisavanja i takt širenja nalaze na suporotnim stranama krive isto tako se i takt sabijanja i takt izduvavanja nalaze na suprotnim stranama krive. Dužinskom merom E2se biraju takva rastojanja koja će obezbediti željeni stepen sabijanja i minimalna zadržavanja zaostalih produkata sagorevanja, na slici 14 je prikazano kako ove dužine utiču na hod klipa.

Na prikazanoj slici 14 može da se uoči kako se data kriva koja je potekla iz kinematske šeme na slici 12 kombinuje sa pravilnom kružnicom čiji se centar nalazi u koordinatnom početku centra obrtanja cilindara. Može se zaključiti da je postignuto očekivano, ekspanzioni hod se ostvaruje do mnogo veće relativne dužine nego hod usisavanja, takođe se vidi da prilikom izduvavanja kriva kretanja klipa dodiruje kružnicu, odnosno na tom delu se potpuno izbacuju produkti sagorevanja. Ovo je samo šematski prikaz onoga što bi trebalo izvesti u realnom motoru, ovakva šema će se razlikovati od realne u nekim detaljima, ali pravac koncepta se može videti iz priloženog. Približna slika nekog realnog sistema zasnovanog na prikazanom mehanizmu bi se mogao prikazati sledećom slikom 15.

Sa prethodne slike uočava se jasna razlika između zapremine koja se sabija i zapremine do koje se vrši širenje radnog tela. Kolike vrednosti treba usvojiti za veličine Eii E2zavisi od toga koliki se stepen širenja i stepen sabijanja želi ostvariti respektivno. Takođe se uočava da nepostoji zapremina na kraju hoda izduvavanja, što je i bio jedan od ciljeva konstrukcije. Kako promena veličine Eiutiče na stepen širenja radnog tela ilustrovano je na slici 16.

Suština pronalska se ogleda tome da se konvencionlanom krivajnom mehanizmu uvede još jedno kretanja, kretanje tj. obrtanje cilindara oko ose koja je postavljena ekscentrično u odnosu na osu obrtanja pogonskog vratila. Klipovi bi bili postavljenji radijalno u odnosu na osu obrtanja pokretnih cilindara i rotirali bi zajedno sa cilindrima, odnosno klipovi bi vršili složeno kretanje. Rastojanjem dve ose (osa obrtanja pogonskog vratila i osa obrtanja cilindara) odnosno veličinom ekscentriciteta definiše se željeni stepen širenja i stepen sabijanja. Prenosni odnos između ugaonih brzina cilindara (rotora) i pogonskog vratila iznosi -1, razlog toga je omogućavanje odvijanja sva četiri takta za jedan obrt pogonskog vratila. Ovakav koncept dovešće do drugačijeg zakona promene stanja radnog tela koji je opisan slikom 8.

Naravno ovakvo kretanje podrazumeva i rešavanje novih problema koji postoje u idejnoj konstrukciji, gde se pre svega misli na hermetičnost novog prostora za sagorevanje, razvod radne materije, distribucija momenta, više o tome objašnjeno je u delu detaljan opis pronlaska.

Sada se može pogledati na koji način se ostvariju konkretne promene stanja radnog tela u zamišljenom konceptu. Promene stanja radnog tela date su sledećim ilustracijama na slikama 17, 18, 19 i 20 koje ilustruju usisavanje, sabijanje, širenje i izduvavanje - respektivno.

Ovakav koncept omogućava odvijanje taktova na različitim mestima, za razliku od konvencionalne konstrukcije gde se svi taktovi odvijaju u istom prostoru. Prema tome veoma je jednostavno staviti mnogo više svećica na deo bloka gde dolazi do paljenja smeše, isto tako postojaće određeni deo bloka koji će biti rezervisan posebno za izlaz produkata sagorevanja a posebno za ulaz sveže smeše. Na taj način se svaki takt odvija kvalitetnije jer se svaki deo bloka konstruiše samo za jedan takt a ne četiri.

e) Kratak opis slika nacrta

Napomena: slike nacrta pronalska ne počinju sa slikom br. 1, nego sa slikom

br. 21 i završava se sa slikom br. 54.

Na slici 21 prikazan je približan izgled motora u izometriji, na ovoj slici su naznačeni donji deo bloka motora 1, gornji deo bloka motora 2, usisni kolektor 3, izduvni kolektor 4 i pogonsko vratilo 5.

Na slici 22 prikazanje presek motora po osi simetrije jednog od rotora. Na slici su naznačeni osnovni delovi motora: donji deo bloka motora 1, gornji deo bloka motora 2, usisni kolektor 3, izduvni kolektor 4, pogonsko vratilo 5, klip 6, klipnjača 7, osovnica klipa 8, pokretni cilindri (rotori) 9, zupčanički sklop 10, poklopac ležišta 11, zupčanika na pogonskom vratilu 12, zupčanika na rotorima 13.

Na slici 23 prikazanje donji deo bloka motora označen sa 1

Na slici 24 prikazan je donji deo bloka motora 1 gde je postavljeno pogonsko vratilo 5, na kome je kruto vezan zupčanik 12.

Na slici 25 prikazan je donji deo bloka motora 1, pogonsko vratilo 5 sa zupčanikom 12 i zupčanički sklop 10 koji oduzima jedan stepen slobode. Na istoj slici prikazana je takođe i jedna od varijanti fiksiranja datih elemenata sa poklopcem 11 koji je označen na slici.

Na slici 26 prikazan je sklop donjeg dela bloka motora 1, pogonskog vratila 5, zupčaničkog sklopa 10 , klipnjača 7, klipova 6, osovinice klipa 8 i poklopca pogonskog vratila 11.

Na slici 27 prikazan sklop donjeg dela bloka motora 1, pogonskog vratila 5, zupčanika 10, klipnjača 7, klipova 6, poklopca pogonskog vratila 11, osovinice klipa 8 i jednog od rotora 9.

Na slici 28 prikazan je sklop donjeg dela bloka motora 1, pogonskog vratila 5, klipova 6, rotora 9 i poklopca pogonskog vratila 11.

Na slici 29 a prikazan je izgled motora sa donjim delom bloka motora 1, usisnim 3 i izduvnim 4 kolektorom i pogonskim vratilom 5, gde su naznačeni otvori za svećice 14.

Na slici 30 prikazano je pogonsko vratilo motora 5 sa zupčanikom 12 iz jedne od projekcija.

Na slici 31 prikazano je pogonsko vratilo 5 sa zupčanikom 12 iz pogleda sa strane.

Na slici 32 prikazano je pogonsko vratilo 5 sa zupčanikom 12 u transparentnoj projekciji radi lakšeg uočavanja razmeštaja kolena pogonskog vratila.

Na slici 33 prikazan je sklop pogonskog vratila 5 sa zupčanikom 12, klipova 6 i klipnjače 7.

Na slikama 34 prikazan je sklop pogonskog vratila 5, klipova 6, klipnjače 7, osovinice klipa 8 i klipnih prstenova 15.

Na slici 35 prikazan je presek klipa 6, klipnih prestenova 15, osigurača klipne osovinice 16 i klipne osovinice 8.

Na slici 36 prikazan je sklop klipa 6, klipnih prestenova 15, osigurača klipne osovinice 16 i klipne osovinice 8.

Na slici 37 prikazanje sklop rotora 9, klipova 6, pogonskog vratila 5, na istoj slici naznačen je detalj A koji je prikazan na slici 38.

Na slici 38 prikazan je detalj A koji opisuje sklop klipova 6, rotora 9, klipnjača 7, pogonskog vratila 5 i zupčanička 12.

Na slici 39 prikazana je klipnjača 7

Na slici 40 prikazanje presek klipnjače 7

Na slici 41 prikazan je sklop rotora 9 sa rotorskim prstenovima 17 i ozubljeni vencom 13 koji je kruto vezan za rotor 9.

Na slici 42 prikazanje delimičan presek rotora 9 i rotorskih prstenova 17

Na slici 43 prikazan je jedan deo rotora 9 na kome su naznačeni elementi za fiksiranje 23, otvori za zavrtnje 22 i nalegajuća površina 21

Na slici 44 ilustrativno je prikazano dejstvo sila koje generišu obtni moment motora, pored ovih sila naznačeni su elementi poput pogonskog vratila 5, klipa 6, rotora 9 i ozubljenog venca 13 i zupčanika pogonskog vratila 12.

Na slici 45 prikazan je zupčanički sklop (na prethodnim slikama označavan sa 10) koji se sastoji od dva velika zupčanika 18, vratila 20 i malog zupčanika 19.

Na slici 46 prikazanje sklop rotora 9, malog zupčanika 19, velikog zupčanika 18, zupčanika na pogonskom vratilu 12 i ozubljenog venca 13.

Na slici 47 prikazan je donji deo bloka motora 1 sa naznačenim labirintnim kanalima za saptivanje 24 i otvorima za svećice 14

Na slici 48 prikazan je gornji deo bloka motora 2 sa usisnim 3 i izduvnim kolktorima 4

Na slici 49 prikazanje sklop donjeg dela bloka motora 1, oba rotora 9, pogonsko vratilo 5 i klipova 6, pri čemu je naznačen detalj B koji je opisan na slici 50.

Na slici 50 prikazan je detalj B gde su naznačeni klip 6, rotor 9, rotorski prstenovi 17 i donji deo bloka motora 1.

Na slici 51 prikazanje donji deo bloka motora 1, pogonsko vratilo 5, rotor 9, klip 6 kao i detalj C koji je opisan na slici 52.

Na slici 52 prikazan je detalj C gde se uočava nalegajuća površina 25, donji deo bloka motora 1, klip 6 i rotor 9.

Na slici 53 prikazan je sklop pogonskog vratila 5, rotora 9 i klipa 6 pri čemu su skiciranu obrtni momenti koji se generišu tokom rada motora.

Na slici 54 prikazan je gornji deo bloka motora 2, sa usisnim 3 i izduvnim 4 kolektorima, takođe su naznačene i površine usisnih kanala 26.

f)Detaljan opis pronalaska

Detaljan opis pronalaska se sastoji iz tri dela

• Detaljnog opisa elemenata motora i njihovih funkcija koje prate odgovarajuće slike dostavljene u delu nacrt pronalska

• Toplotnog proračuna motora

• Kinematike i dinamike klipnog mehanizma motora

• Detaljan Opis elemenata motora

Kao što je objašnjeno, ideja je da se konvencionlanom klipnom mehanizmu dovede još jedno kretanje u vidu ugaonog pomeranja cilindara, gde će postojati zavisnost preko prenosnog odnosa između ugaone brzine pogonskog vratila i ugaonoe brzine pokretnih cilindara (rotora). Takođe treba napomenuti, da je udaljenost ose obrtanja ova dva elementa isto tako jasno definisana veličinom ekscentriciteta. Ovakav ideja gde su klipovi postavljeni radijalno a pri tome nisu stacionirani nego rotiraju ugaonom brzinom koja je zavisna od ugaone brzine pogonskog vratila se može realizovati na nekoliko načina, priložen je samo jedan od njih. Takođe se ideja može primeniti na oto i dizel koncept. Objašnjena koncepcija će važiti za oto izvedbu. Kod dizel izvedbe može se primeniti identična konstrukcija sa minimalnim izmenama.

Osnovni princip dobijanja rada kod ovog motora je veoma sličan dobijanju rada kod konvencionalnih motora SUS s tim što su promene stanja izvedene drugačije. Kako je naglašeno reč je o četvorotaktnom motoru, u sledećem delu teksta će biti opisano konkretne razlike ovih taktova u odnosu na klasičan koncept.

Usaisavanje

Usisavanje se odvija sa mnogo manjim brzinama strujanja jer su protočni preseci kroz koje struji sveža smeša mnogo veći, iz tog razloga je depresija u usisnoj grani mnogo manja pa je pritisak sveže smeše na kraju punjenja cilindra veći, odnosno koeficijent punjanja je veći nego kod konvencionalnih motora. Takođe se punjenje cilindra odvija sa nižom početnom temperaturom jer ne postoje zostali gasovi koji bi mogli da zagreju novo punjenje - ova činjenica daje mogućnost za povećanje stepena sabijanja kako je već ranije rečeno.

Sabijanje

Kako je posle prvog takta usisana sveža smeša sa nižom temperaturom i većim pritiskom postavljenja je odlična osnova za sabijanje takvog radnog tela, jer je motoru potrebno obezbediti radno telo sa što je moguće većim pritiskom i sa što nižom temperaturom ( da bi se radno telo moglo komprimovati do što je mogućeg većeg pritiska a da mu pri tome temperatura ne pređe temperaturu samopaljenja).

Širenje

Posle sabijanja i paljenja smeše kako je poznato dolazi do ekspandiranja radnog tela, za razliku od konvencionalnog motora gde se tokom širenja radnog tela na letećem rukavcu generiše tangencijalna komponenta sile koja pomnožena sa poluprečnikom kolena kolenastog vratila proizvodi moment, kod ovog motora će se obrtni moment sastojati iz dve komponente. Prva komponenta (nazvana je prva bez nekog posebnog razlog, obe komponente se generišu istovremeno) je identična sa momentom klasičnog motora, odnosno generiše se na pogonskom vratilu letećeg rukavca usled tangencijalne sile. Druga komponenta se generiše na pokretnim cilindrima (rotorima) usled normalne sile na zidu cilindra (ilustrovano na slici 44 u nacrtu pronalaska). Na slici 44 su ilustrovane dve sile od kojih nastaju momenti.

Izduvavanje

Posle potpunijeg širenja radnog tela izduvni gasovi su niže temperature nego kod konvencionlnih motora iz razloga što je uzeto više rada od radnog tela, odnosno smanjenja je srednja integralna temperature odvođenja toplote. Posle takta širenja dolazi do izduvavanja tj. potpunog izbacivanja produkata sagorevanja iz cilindra motora i završava se jedan ciklus.

Ukratko su opisana sva četiri takta motora, u daljem tekstu će biti opisani osnovni elementi motora.

Motor se sastoji iz sledećeg:

Pogonskog vratila

Klipnih grupa

Klipnjača

Rotora

Bloka motora

Pogonsko vratilo

Slično kao i kod konvencionalnih motora pogonsko vratilo predstavlja element motora na kome se generiše obrtni moment motora, s tim što u ovom slučaju pogonsko vratilo ima ulogu i generatora ugaonog pomeranja rotora. Da bi ostvarilo i tu dodatu funkciju ono mora biti tako konstruisano da u svom sastavu poseduje ijedan zupčanik. Na slici 30 prikazano je pogonsko vratilo motora 5 sa kruto vezanim zupčanikom 12. Može da se uoči sličnost sa konvencionalnim pogonskim vratilom, međutim ovo vratilo ne poseduje kolena, nego su ona zapravo zamenjena sa velikim letećim rukavcima. Ovo je učinjeno iz sledećeg razloga. Pokretne cilindre treba da zamisliti kao rotor koji u sebi sadrži dva cilindra (može i više ali su u ovom slučaju odabrana dva klipa po rotoru), čije su ose saosne. U tom slučaju je veoma bitno da klipnjača jednog i drugog klipa budu što je moguće bliže jedna drugoj - ilustrovano na slici 33 gde su prikazane klipnjače označene pozicijom 7.

Sa slike 33 se vidi da kada bi kolenasto vratilo 5 zadržalo svoj standardni oblik ne bi bilo moguće izvesti odgovarajući položaj klipova, klipovi bi sa standardnim kolenastim vratilom mogli biti postavljeni ali bi to uticalo na nesaosnost naspramnih cilindara i povećanje veličine rotora u kome bi bili. Drugi negativni aspekt bi se ogledao u težem uležištenju pogonskog vratila . Rešenje koje je prikazano na slici 33 je izveden takođe iz razloga smanjenja širine samog ležišta velike pesnice (povećala se oslona dužina i time očuvala ukupna nalegajuća površina). Sa slike 33 može da se uoči da je spoj klipa 6 i klipnjače 7 izveden sa izvesnom asimetrijom, i za slučaj da se jave velike bočne sile na klipu kod nekih forsiranih motora ili dizel konstrukcija može se veoma lako pribeći konstrukciji koja bi dala simetričan odnos gde bi se na primer koristile dve klipnjače za prvi klip dok bi drugi klip imao samo jednu klipnjaču. Takođe se može izvesti slučaj sa samo jednom klipnjačom (kao kod klasičnih motora) ali u takvom slučaju ose cilindra rotora ne bi bile saosne i prilikom obrtanja rotor bi stvarao velike inercione sile koji bi iziskivale mnogo robusnije dimenzionisanje oslonih ležišta rotora i njegovo kasnije dinamičko uravnoteženje. Postoji varijanta da rotor poseduje samo jedan cilindar, u tom slučaju može da se sačuva današnja izvedba kolenastog vratila i izbegne nesaosnost ali bi se smanjila specifična snaga ( po jedinici mase ili zapremine) motora. Prikazani slučaj pronalaska važi za slučaj kada se težilo manjim gabaritima motora i većoj snazi po jednici težine, pa je iz tog razloga prisutna asimetričnost.

Na slici 33 se vidi daje pogonsko vratilo 5 na svojim krajevima ožljebljeno, na tim krajevima se montiraju dodatni uređaji. Na primer ako je reč o automobilskom motoru, sa jedne strane će se prikačiti transmisioni uređaji a sa druge strane pogon alternatora, servo uređaja i si.

Zupčanik pogonskog vratila 12 koji je prikazan na više slika nacrta pronalaska poseduje 80 zuba.

Položaj letećih rukavaca pogonskog vratila 5 je tako izveden da su rukavci po jednom rotoru fazno pomereni za 180 stepeni, a rukavci naspranog rotora po 90 stepeni prikazano na slici 30, 31 i 32.. Na slici 31 prikazani su rukavci pogonskog vratila 5 gde se vidi pomenuta fazna pomerenost od 180 stepeni, na slici 32 su nacrtane i nevidljive linije gde sc može uočiti da postoji pomerenost letećih rukavaca pogonskog vratila 5 između jednog i drugog rotora za 90 stepeni.

Klipna grupa

Klipna grupa se sastoji iz uobičajenih elemenata: klipa 6, klipnih prstenova 15, osovinice klipa 8, osigurača 16 detaljno prikzane na slikama 35 i 36.

Na slici 36 prikazana je sastavljena klipna grupa.

Sa prikazanih slika klipa može da se uoči daje suknjica klipa drugačije izvedena u odnosu na konvencionalni klip. Razlog toga je što se u konkretnoj izvedbi težilo smanjenju obima rotora 9, pa je klip 6 minimalno udaljen od klipnjače 7 naspramnog klipa (klipnjača bi prolazila kroz jedan deo klipa da nije učinjena izmena). Na slici 38 (detalj A) je prikazano kako ovakva izvedba suknjice omogućava klipu da ostane u dovoljno velikom kontaktu sa cilindrom motora u trenutku kada se klip nalazi u unutrašnjoj mrtvoj tački, i da istovremeno klipnjača nesmetano prolazi.

Napomena: U radu je prikazan izgled klipa za slučaja kada se težilo manjim

gabaritima motora, odnosno za slučaj kada je klip minimalno udaljen i od pogonskog

vratila i od klipnjače. Klip može da zadrži standardan izgled suknjice, ali u tom slučaju

obim rotora mora biti veći. Sto bi dovelo do povećanja prečnika rotora i takav slučaj bi

rezultovao većim inercijalnim silama.

Klipnjača

Klipnjača je nacrtana u skladu sa modifikovanim klipnim mehanizmom koji je objašnjen, tako da je njena konstrukcija identična sa konstrukcijom klipnjače konvencionalnog motora s tim što je velika pesnica dimenzionisana sa većim radijusom. Klipnjača 7 bi sa sastojala iz tela klipnjače, velike i male pesnice i zavrtnjeva. Mogući izgled takve klipnjače gde bi velika pesnica bila rastavljiva data je na slici 39.

Pokretni cilindri (rotori)

Rotor je u suštini element sfernog oblika koji je tako oblikovan da su u njemu smešteni cilindri koji su kruto vezani za njega što za posledicu ima da se zajedno sa njim obrću. Na slici 41 je prikazan rotor 9 koji je kruto vezan za ozubljeni venac 13 i koji na sebi ima dodate rotorske prestenove 17. Sklop rotora 9 je tako izveden da je zajedno sa njim vezan ozubljeni venac 13 koji ima ulogu da oduzme jedan stepen slobode kretanja. Sferni oblik je odabran iz sledećeg razloga.

Motor SUS koristan mehanički rad dobija samo prilikom širenja radnog tela, za to vreme u cilindru motora radno telo se nalazi pod visokim pritiskom. Od suštinskog je značaja da se pritisak održi na što je mogućem većem nivou i tokom širenja i tokom sabijanja, odnosno da zaptivanje između radnog prostora i okoline motora bude što bolje izvedeno. Iz tog razloga je sferna građa najpogodnija. Za razliku od konvencionalnog motora gde je zaptivanje potrebno samo na jednom mestu, kod ovog koncepta potrebno je obezbediti zaptivanje na dva mesta - između klipa i cilindra motora i između rotora i bloka motora. Kako je poznato, ako postoje dve sredine gde vladaju velike razlike pritisaka ( a upravo na tom principu radi motor SUS) izolovanje te dve sredine je najbolje učiniti po kružnim presecima, onako kako se to čini u današnjim motorima, bilo koji drugi vid zaptivanja, koji će iziskivati pravugaone preseke ili neke druge složene oblike daće manji volumetrijski koeficijent korisnosti koji će rezultovati manjim efektivnim pritiskom, povećanim gubicima, neravnomernosti stepena sabijanja, povećanom potrošnjom. Kako je navedno kružni preseci su najbolji sa aspekta zaptivanja, iz tog razloga je odabrana sferna građa rotora gde se presekom bilo koje ravni kroz sferu dobijaju kružnice.

Presek rotora 9 se može videti sa slike 42 pri čemu se uočava kako su cilindri postavljeni u rotor 9. Treba napomenuti da je rotor 9 tako konstruisan da je njegova masa najvećom delom raspoređena po obodu, odnosno u ovom slučaju rotor ima ulogu akumulatora energije-zamajca. Takođe treba imati u vidu da rotor 9 ne naleže ćelom svojom površinom na donji 1 i gornji 2 deo bloka motora. Rotor 9 bi morao biti tako dimenzionisan daje u kontaktu sa blokom motora samo sa svojim oslonim površinama 21 prikazano na slici 43. Na taj način će sferni deo rotora uvek biti odvojen od bloka motora. Odnosno između bloka motora i sfere rotora će postojati veoma tanak sloj ulja koji će služiti za hlađenje i podmazivanje rotora i rotorskih prstenova.

Rotor 9 je tako konstruisan da na svojim krajevima ima labirintne kanale koji ulaze u propisane žljebove 24 na donjem 1 i gornjem 2 delu bloka motora i time ostvaruje labirintno zaptivanje rotora prikazano na slici 47. Oni imaju ulogu da ograniče ulaz radne materije (radno telo koje tek treba da bude usisano) u uslovno rečeno karterski prostor, odnosno da spreče da materija niskog pritiska koja se nalazi u izduvnom i usisnom kolektoru uđe u motorski prostor dok se odvijaju radni ciklusi. Takođe omogućavaju doziranje ulja između sfernog dela rotora 9 i bloka motora čime se ostvaruje podmazivanje. Naleganje rotora 9 u blok motora opisano je slikama 49 i 50 (detalj B). Na slici 49 prikazanje sklop oba rotora 9, klipova 6, donjeg dela bloka motora 1 i pogonskog vratila 5.

Takođe rotor na obodima oko cilindarskih otovora poseduje rotorske prtenove 17 koji imaju ulogu obezbeđivanja visoke hermetičnosti radnog prostora kao što je prikazano na slici 50. Rotorski prstenovi 17 bi obezbeđivali hermetičnost time što bi oni bili u kontaktu i sa rotorom 9 i sa blokom motora. Sila kojom bi bili pritisnuti uz blok motora bi se generisala na više načina. U obzir dolaze posebni opružni elementi koji bi se postavljali u rotor i pritiskali prstenove na unutrašnji deo bloka. Pored ove sile, njih bi pritiskala i centrifugalna sila kao posledica obrtanja rotora. Oni mogu da budu izvedeni tako da ih dodatno pritiska i pritisak koji se generiše u cilindru motora.

Ukupan obrtni moment kod ovog motora se sastoji iz zbira momenta koji se generiše na pogonskom vratilu i momenta koji se generiše na rotorima, njihove vrednosti će kasnije biti priložene. Prema tome veoma je važno adekvatno učvrstiti cilindre za rotor jer se na zidovima cilindara generiše normalna sila koja pomnožena sa rastojanjem delovanja te sile od ose obrtanja rotora daje moment na rotorima . Jedna od mogućih varijanti prikazana je slikom 42 gde su dodata dva rebra po cilindru rotora 9.

Sobzirom na izgled donjeg dela bloka motora koji je u ovom slučaju iz jednog dela, potrebno je konstruisati takav rotor koji će biti iz najmanje dva dela da bi se omogućilo montiranje svih elemenata motora, moguć način izgleda dvodelnog rotora je prikazan na slici 43 gde je prikazan rotor motora 9. Rotor će imati elemente koji će omogućiti zavrtanjsku vezu 22 i adekvatno fiksiranje preko elemenata označenim sa 23 koji neće dozvoliti smicanje dva dela bloka usled različitosti normalnih sila na cilindrima istog rotora. Takođe će dvodelni rotor koji je izveden na ovaj način omogućiti kruto pričvršćivanje nazubljenog venca prikazanog na slici 41 i označen pozicijom 13.

Zupčanici

Kako je bilo navdeno ovakav koncept je moguć samo pod uslovom da postoji jasno definisan prenosni odnos, kinematičke šeme koje su date na početku teksta kroz sliku 12 opisuju kretanje samo sa njegovog šematskog aspekta. U praktičnoj primeni konkretna kinematička šema sa dva zubčanika se teško može izvesti, nju je mnogo lakše realizovati sa tri zupčanika, gde će postojati unutrašnje sprezanje i time ostvariti željena kinematika. Na slici 45 prikazanje zupčanički sklop koji se sastoji od vratila 20, velikog zupčanika 18 i malog zupčanika 19 koji su spregnuti i sa zupčanikom pogonskog vratila 12 i sa ozubljenim vencom 13 na rotoru 9, gde na taj način ukidaju jedan stepen slobode kretanja, odnosno svode sistem na samo jedan stepen slobode koji je definisan ulaznim uglom pogonskog vratila. Zupčanički sklop se sastoji u ovom slučaju od tri zupčanika. Mali zupčanik 19 je spregnut sa zupčanikom 12 na pogonskom vratilu 5 , dok su ostala dva 18(koja se nalaze na krajevima vratila) spregnuta sa ozubljenim vencom 13 rotora 9 opisano na slici 46. U konkretnom slučaju se ostvaruje prenosni odnos od -1 na sledeći način. Zupčanik 12 na pogonskom vratilu 5 poseduje 80 zuba i spregnut je sa malim zupčanikom 19 koji poseduje 20 zuba, prema tome ovde se ostvaruje prenosni odnos -4. Vratio 20 koje na svojim krajevim ima velike zupčanike 18 od po 30 zuba je upareno sa ozubljenim vencom 13 rotora 9 koje poseduje 120 zuba, što znači da se ovde ostvaruje prenosni odnos od 0,25. Množenjem ova dva prenosa se dobija željeni prenosni odnos od - 1. Opisano sprezanje prikazano je na slici 46.

Blok motora

Blok motora bi se u ovom slučaju sastojao iz dva osnovna dela. Gornjeg 2 i donjeg 1 dela bloka motora. Presek bloka na dva dela se može izvesti na više načina i više mesta, međutim najpogodnije bi bilo izvesti tako da spoj dva dela bloka ne bude na mestima visokog pritiska. Spoj gornjeg i donjeg dela bloka motora se ostvaruje zavrtanjskim vezama.

Donji deo bloka motora 1 ima ulogu da prihvati pogonsko vratilo 5 i zupčanički sklop 10 opisano na slici 26. Pored toga na njegovom donjem delu 1 se nalaze otvori u koje bi smeštale svećice 14 opisano na slici 47. U ovom slučaju su odabrane četiri iz razloga prikazivanja kako ovakav koncept utiče na eventualno povećanje broja žarišta. Na slici 47 prikazan je donji deo bloka 1 na kome su naznačeni labirintni žljebovi 24 u koje naležu kanali na rotoru 9.

Gornji deo bloka motora 2 prikazan je na slici 48, ovaj deo ima zadatak da sa donjim delom bloka formira celinu koja pridržava oba rotora i ostvaruje dovoljnu veliku hermetičnost prostora za sagorevanje. Kako tema patentnog zahteva nije vezana za izvođene usisnog i izduvnog kolektora oni su ovde samo simbolično predstavljeni. Usisini i izduvni kolektori bi se već nekim načinom povezivali sa gornjim delom bloka motora (zavrtnjima, zavarivanjem...), u konkretnom slučaju usisni i izduvni kolektori su zavareni za gornji deo bloka.

Uležištenje pogonskog vratila 5 u blok motora bi se izvodila identično kao kod današnjih motora uz pomoć kliznih ležišta. Isto važi i za oslanjanje rotora 9 u blok, s tim što se podrazumeva da je rotor uležišten samo svojim cilindričnim površinama nikako sfernim i da bi ovde klizna ležišta bila mnogo veća nego ležišta pogonskog vratila. Ulje koje bi se dopremalo do rotorskih ležišta bilo bi transportovano od uljne pumpe kroz odgovarajuće kanale. Takođe spoj klipnjače 7 i klipa 6 je izveden identično kao kod današnjih motora pa iz tog razloga taj spoj nije posebno nacrtan.

Oba dela bloka motora 1 i 2 moraju biti tako izvedeni da omoguće adekvatno aksijalno oslanjanje rotora 9, jedan od mogućih načina opisan je na slici 52 (detalj C). Gde se vidi kako su postavljeni donji deo bloka 1, klip 6, rotor 9 kao i aksijalne nalegajuće površine 25. Na slici 52 prikazanje detalj sa slike 51.

Veličina i oblik usisnih kanala se može videti sa slike 54 gde je prikazan gornji deo bloka 2 i usisni kolektor 3, izduvni kolektor 4 i površina usisnih kanala 26.

Hlađenje motora

Iako je povećan koeficijent korisnosti motora, veliki deo energije i dalje ostaje usmeren na povećanje stepena zagrejanosti elemenata motora. Prema tome ovakvoj konstrukciji se mora obezbediti adekvatno hlađenje da bi se mogao ostvariti dugotrajan i stabilan rad. Pored klasičnog načina hlađenja motora, ovde se mora pribeći i drugim alternativama. Spoljašnji deo motora, gde se pre svega misli na spoljašnji deo bloka motora (plašt motora) bi se morao intezivno hladiti vodom, slično kao i kod današnjih motora voda bi se kretala oko tela koje treba ohladiti, iz tog razloga ovaj sistem nije detaljno prikazan nacrtom. Drugi deo toplote bi se odvodio od unutrašnjih elemenata motora. Rotor bi jedan deo svoje toplote prenosio na blok preko tankog uljnog sloja između sfernog dela rotora i bloka motora, drugi deo toplote sa cilindara motora bi se morao odvesti preko ulja koje bi strujalo kroz motor. Jedna od mogućnosti bi bila da se ulje nanosi na spoljašnji deo cilindra putem brizgaljke ulja (danas postoje takvi sistemi gde se na taj način podmazuje spoj klip-cilindar) i da putem centrifugalne sile bude rasneseno do oboda rotora gde posle prenosa toplote sa rotora na ulje, ulje bude potisnuto do hladnjaka gde se hladi i vraća u sitem. Motor bi morao posedovati hladnjak ulja i hladnjak vode.

Da bi se dobio jasniji uvid u konkretne rezultate i okvirno odredila efiksanost motora, u sledećem delu teksta će biti urađen toplotni proračun za opisani motor.

• Toplotni proračun

Toplotni proračun će biti izveden za konkretne dimenzije motora, reč je o motoru čije su osnovne dimenzije sledeće:

Radna zapremina 1833(cm<5>]

Prečnik klipa 90 (mm]

hod usisavanjasu- 493[ mm]

hod širenjas. = 72. l[ mjn]

Stanje okoline

Usisavanje

Temperatura vazduhautrenutku ulaska u cilindar motoraTs:

AT- predstavlja porast temperature sveže smeše usled dodira sa zagrejanim zidovima cilindra motora( A<T>)

ATse kreće u granicama od 10 do 30 [K] , usvojena vrednost 15 [K]

Pritisak na kraju takta usisavanja- pa :

p0-pritisak okoline,

Vv-predstavlja srednju brzinu punjenja u protočnom preseku usisnog ventila. Vrednosti koje se uzimaju u obzir kod standardnih motora se kreću u granicama od 50-150 [m/s]. Objašnjeni koncept ne poseduje ventile, sa prikazanih slika nacrtu pronalska gde je prikazan gornji deo bloka mogu se uočiti mnogo veći protočni preseci, pa se u skladu stim moraju uvesti određene promene u proračunu. Kako je srednji protočni presek približno jednak preseku cilindra tako se i radna materija kreće približnim brzinama klipa (uglavnom nešto sporije zbog inercije). Relativna brzina klipa mođifikovanog koncepta se kreće približno brzinama klipa standardne izvedbe (slika 62). Kod konvencionalnih motora površina za ulaz radne materije pokriva oko 25% od ukupne površine preseka cilindra u koji se ona doprema. Grubom ocenom se dolazi do zaključka da bi u modifikovanom koncertu brzine pri ulasku radne materije bile i do četiri puta manje. Usvojena vrednost za srednju brzinu punjenja u protočnom preseku je 20 [m/s].

( 01+? )- koeficijenti koji uzimaju u obzir gubitke, njihova vrednost se kreće kod standardnih konstrukcija motora SUS u granicama od 2,6 do 3,3. Usvojena vrednost iznosi 2,6.

p„- gustina vazduha:

Dobijena vrednost pritiska na početku takta sabijanja je 100695 [Pa], relativno visok pritisak se postigao manjim otporima prilikom ulaska radne materije (što je posledica većih protočnih kanala iz koje je proizišla manja brzina strujanja).

Temperatura na kraju takta usisavanja:

Temperatura na kraju takta usisavanja (Ta) kod standardnog motora se računaDreko sledeće relaciie:

Napomena: Kakoje bilo spomenuto reč je o motoru koji ne generiše zaostale produkte sagorevanja, u skladu sa tim toplotni proračun će biti drugačije izveden gde će koeficijentybiti jednak nultoj vrednosti, a samim tim veličinaTr(temperatura zaostalih produkata sagorevanja) neće figurisati kao i veličina Pr (pritisak zaostalih produkata sagorevanja).

Sobzirom na činjenicu da koeficijentiyi Tr imaju vrednost nula, dobija se sledeća jednakost:

Koeficijentpunjenja:

Koeficijent punjenja predstavlja odnos količine usisanog radnog tela prema teorijskoj količini koja može da stane u usisanu zapreminu, u ovom slučaju ne zavisi od kompresione zapremine i zagrejanosti zaostalih produkata sagorevanja kao i samim koeficijentom zaostalih gasova, već samo od parametara koji definišu stanje radnog tela (p,v i T). Treba napomenuti da je V=const. pa je izraz sledeći:

Kako je V=const. sledi da jeVa — VQ, gde se za vrednost koeficijentanvdobija:

Kaoi što se očekivalo dobijen je relativno viško koeficijent punjenja.

Processabijanja

Srednja vrednost eksponenta politrope sabijanja (ni):

Srednja vrednost eksponenta politrope sabijanja se kreće u granicama od 1,37 do 1,39.

Usvojena vrednost iznosi 1,38.

n, =1,38

Stepen sabijanja:

Temperatura samopaljenja goriva je 510 stepeni Celzijusa što je priblišno oko 793 (K], uglavnom se daje određeni stepen sigurnosti od samopaljenja pa će se kao granica uzeti temperature do 750 [K],

Usvojena vrednost temperature na kraju takta sabijanja Tsig=750(K]

Jednačine koje prate politropsko sabijanje:

Gde je Tc temperatura na kraju takta sabijanja kod standardnih izvedbi. Kako je bilo rečeno Tc=Tsig i za ovu vrednost Tsig formira se jednačina, gde figuriše nepoznata x koja predstavlja stepen sabiiania (e):

Usvojena vrednost stepena sabijanja iznosi 10,3.

e=10,3

Pritisak na kraju takta sabijanja:

Stvarna temperatura na kraju hoda sabijanja:

Proces sagorevanja

Proces sagorevanja će biti proračunat za slučaj vrednostia= 1, iz razloga što se kod modernih oto motora koeficijent viška vazduha kreće u tom opsegu (veoma blizu vrednosti 1).

Teorijski potrebna količina vazduha za potpuno sagorevanje 1 kg goriva:

Koeficijent količine vazduha:

Količina svežeg punjenja:

Količina produkata sagorevanja pria~1

Ukupna količina produkata sagorevanja:

Teorijski koeficijent promene broja molova u toku sagorevanja:

Stvarni koeficijent promene broja molova u toku sagorevanja:

Aktivna toplota sagorevanja:

Takođe je i aktivna toplota sagorevanja veća jer u formuli ne figu riše

koeficijent zaostalihgasova.

Srednja molarna izohorska specifična toplota svežegpunjenja( 0- l500C) :

Srednja molarna izohorska specifična toplota produkata sagorevanja za opseg

temperatura ( 1500- 3000C) :

Koeficijent iskorišćenja toplote procesa sagorevanja

Temperatura na kraju procesa sagorevanja:

Pritisak na kraju procesa sagorevanja:

Stepen porasta pritiska:

Stvarni pritisak na kraju procesa sagorevanja:

Proces širenja

Srednja vrednost eksponenta politrope širenja ( m) :

Srednja vrednost eksponenta politrope širenja se kreće u granicama od 1,22 do 1,30. Usvojena vrednost iznosi 1,28.

Pritisak na kraju procesa širenja:

Kod standardnih motora, pritisak na kraju proces širenja predstavlja nepoznatu veličinu i računa se preko jednačine politrope. Opisani koncept omogućava da se konstruktivno bira do kog će se pritiska raširiti radno telo pa je iz tog razloga nepoznata veličina zapremina do koje se vrši širenje radnog tela. Pritisak na kraju procesa širenja se bira i sa tom vrednosti se ulazi u proračun. Postavlja se pitanje do kog pritiska bi trebalo vršiti širenje radnog tela?Potpunoširenje radnog tela u cilindru motora je nepotrebno iz razloga što se dovodi u pitanje svrhishodnost samog procesa. Klipni mehanizam dolazi u takav energetski položaj da je razlika između dobijenog i uloženog rada pri kraju takta širenja postaje suviše mala. Drugi razlog zbog čega ne bi trebalo vršiti potpuno širenje u realnim motorima jeste prisustvo izduvnog sistema. Izduvni gasovi su sami po sebi inertni i gomilaju se u izduvnom sistemu, poseduju svoje hidrauličke otpore tokom strujanja kroz izduvni kolektor. To znači da čak i ako bi se konstruisao motor sa potpunim širenjem radnog tela kada bi došlo vreme za poslednji radni takt - takt izduvavanja, motor bi opet morao da povećava pritisak radnom telu i time uzima energiju motora. Drugim rečima dolazilo bi do bezpotrebnog širenja i sabijanja radnog tela. U izduvnom kolektoru se takođe nalazi katalitički konvertor koji povećava pritisak izduvnih gasova ispred njega koji dodatno utiče na povećanje izlaznog pritiska radnog tela odnosno na povećanje krajnog pritiska do koga bi eventualno trebalo raširiti radno telo. Zaključuje se da je svakako od bitnog značajapotpunijeraširiti radno telo, ali do jedne određene granice,nikako potpunoiz prethodno objašnjenih razloga. Ta granica do koje treba vršiti širenje radnog tela varira od izvedbe motora i drugih faktora, osvrnuvši se na neke uspele konstrukcije motora kod kojih se vrši potpunije širenje radnog tela videće se da ako zapremina do koje se širi radno telo zauzima 100% zapremine onda je za kompresioni takt ostavljeno nekih 70% do 80%, ovo važi za neke uspele konstrukcije koje rade po Milerovom principu konkretno to je motorMazde Millenia.Motor ove mazde ima veću efikasnost, manju potrošnju goriva i veći obrtni moment kroz ceo opseg radnih brzina bez povećanja emisije štetnih gasova. Ako se uzme u obzir spomenuti odnos kompresije i širenja radnog tela kod ovakvih motora, dobiće se daje svrhishodno raširiti radno telo do pritiska od oko 3 bar-a, spuštati pritisak ispod ove vrednosti u cilindru motora nije povoljno sa energetskog bilansa. Kako je ustanovljen pritisak koji iznosi 3 bar-a tj 0.3 [MPa] ovaj podatak će biti korišćen za nastavak proračuna.

Gde je x odnos zapremina Vz/Vb.

Iz jednačine se dobija da je x=0,06218 , odnosno dobija se da je Vb veće od Vz za 16,08 puta.

Iz ovog odnosa se može dobiti odnos zapremine širenja radnog tela prema usisanoj zapremini.

Rezultat prethodne relacije predstavlja veličinu za koliko će radni hod biti duži od hoda usisavanja.

Temperatura na kraju procesa širenja:

Odnos Vz/Vb predstavlja odnos zapremine od koje je počelo širenje radnog tela do zapremine potpunijeg širenja radnog tela.

Temperaturana kraju procesa širenja je 1363 [K].

Samo ilustrativno može da se uzme slučaju kada nije izveden ciklusa sa potpunijim širenjem radnog tela, temperatura na kraju procesa širenja bi bila 1545 [K], što je prikazano sledećim relacijama:

Možese zaključiti da su temperature na kraju procesa širenja za oko 150-200 [K] više kod motora gde nije izvršeno potpunije širenje radnog tela. Od izuzetnog je značaja da temperature na kraju procesa širenja budu što niže, jer se u tom slučaju smanjuje srednja integralna temperatura odvođenja toplote, odnosno povećava se površina koju zaokružuje promene radnog tela u T-S dijagramu.

Indikatorski pokazatelji motora

Srednji indikatorski pritisak predstavlja osrednjenu vrednost pritiska koji deluje na klip u cilindru motora za vreme takta širenja.

Srednji indikatorski pritisak će biti manji nego kod standardnog motora, iz razloga što je u pitanju koncept koji ima produženo širenje radnog tela, pa će srednja vrednost pritiska biti znatno manja, ali će taj pritisak imati dejstvo na klip duž većeg puta.

PV dijagram za konkretan motor bi imao izgled prikazan na slici 55.

Indikatorski dijagram motora prikazan je na slici 56.

Napomena: Pumpni rad se sa ove slike ne vidi jer su promene pritisak kod

usisavanja i izduvavanja suviše male.

Srednji indikatorski pritisak se može dobiti preko površine koju zaokružuju krive promene stanja radnog tela. Površima koju zaokružuju te krive se može dobiti na više načina, u ovom slučaju one su nacrtane u softveru AutoCAD i dobijena površina je korišćena za dalji proračun na sledeći način.

A-površina, (dobijena je uz pomoć softvera AutoCAD 2007)

1 -dužina na kojoj se ostvaruje dejstvo pritiska,

r -razmera.

Srednji teorijski indikatorski pritisak je 1,086 (MPa]

Stvarni srednji indikatorski pritisak:

Indikatorski stepen iskorištenja:

Indikatroski stepen iskorišćenja se može dobiti preko odnosa dobijenog rada i dovedene toplote.

lc- dobij eni rad,

qd-dovedena toplota.

Dobij eni rad ( lc) :

Dobijen rad se može izračunati iz poznavanja srednjeg indikatorskog pritiska koji deluje na površinu klipa, pri čemu se dobija neka srednja sila koja deluje na klip duž nekog puta.

Površina klipa zaprečnik klipa od 90 [ mm] :

Sila koja deluje na klip:

Srednja sila koja deluje na klip jednaka je proizvodu površine klipa i srednjem indikatorskom pritisku:

Rad:

Da bi se dobio rad koji klip izvrši tokom hoda širenja potrebno je naći proizvod sile i dužine hoda širenja:

Zaključuje se da klip daje koristan rad od 482 [J].

Dovedena toplota ( qd) :

Da bi se dobila vrednost uložene energije, potrebno je poznavati donju toplotnu moć goriva kao i količinu goriva koja učestvuje po jednom ciklusu.

Donja toplotna moć goriva je poznata veličina i iznosi 44000 [MJ].

Količina goriva po ciklusu:

Vrednost količine goriva koja učestvuje u procesu dovođenja toplote po jednom ciklusu se nalazi iz poznavanja mase smeše koja je ušla u cilindar i masenog udela goriva u smeši.

Masa smeše koja je ušla u cilindra:

Masa smeše se dobija iz proizvoda gustine smeše i zapremine smeše.

Gustina smeše:

Iz poznatog masenog odnosa goriva i vazduha (stehiometrijska smeša) koja iznosi 14.957[kgvazduha / kggonva ], dobija se da se u 15.957 [kg] smeše nalazi 1 [kg] goriva i 14.957 [kg] vazduha.

Kako je gustina goriva poznata i iznosi 760[ kg/ m3],potebno je naći koliku zapreminu zauzima 1 [kg] goriva.

l(kg] goriva zauzima zapreminu od 0,0013157 [m ].

Identičnim postupkom izračunava se koliku zapreminu zauzima 14.957 [kg] vazduha.

Sabiranjem zapremine goriva i vazduha nalazi se koliku zapreminu zauzima smeša od 15.957 [kg].

Konačno se kao gustina smeše dobija preko sledeće relacije.

Zapremina smeše:

Teorijska vrednost zapremine usisane smeše iznosi Vt =313.4[ cm3 ]

Teorijska masa smeše:

«L*=V, ■ Psmese= 0,0003134■ 1,289 = 0,000403fe]

Stvarna masa smeše koja je ušla u cilindar:

Stvarna masa smeše koja je ušla u cilindar će se razlikovati od teorijske, iz razloga gubitaka koji su izraženi preko koeficijenta punjenja.

Maseni udeo:

Maseni udeo goriva u smeši je poznat iz uslova formiranja stehiometriske smeše. Na osnovu kojeg se formira odnos iz kog će se izvesti jednačina čije će rešenje biti količina goriva koja učestvuje u procesu dovođenja toplote po jednom ciklusu u realnim uslovima.

Energija koju unosi ova količina goriva (dovedena toplota) dobija se sledećom relacijom:

Zaključuje se daje vrednost energije koja je uneta u proces 1012 [J] dok je dobijen rad od 482 [J].

Sledi da je vrednost indikatorskog koeficijent iskorišćenja:

Može se zaključiti da je indikatorski koeficijent korisnosti znatno povećan, ne samo iz razloga potpunijeg širenja radnog tela, već i povoljnijih početnih uslova.

indikatorska specifična potrošnja goriva:

srednji pritisak mehaničkih gubitaka:

Kako ne postoji neki empirijski izraz za prikazani koncept koji bi u nekoj približnoj meri odredio mehaničke gubitke, oni će biti usvojeni intuitivno. Prikazani modifikovani mehanizam ne poseduje sistem za razvod radne materije ali u proračun ulaze otpori na sistemu za zaptivanje koji se nalaze na rotoru. Sobzirom na trend primene novih materijala niskih koeficijenata frikcije i adekvatnog sistema podmazivanja za realno je očekivati da gubici u ovakvoj izvedbi budu u gornjim granicama odnosa koji se danas kreću kod konvencionalnih motora SUS. Granice u kojima se kreću koficijent mehaničke korisnosti su od 0,7 do 0,9. Usvojena vrednost mehaničkog koeficijenta korisnosti je 0,9.

Sada je poznata veličina srednjeg efektivnog pritiska na osnovu koje se računa srednji pritisak mehaničkih gubitaka:

Vrednosti srednjeg pritiska mehaničkih gubitaka iznosi 0,1052[MPa].

Srednji efektivni pritisak:

Efektivni stepen iskorišćenja:

•Ki nemati kai dinamika klipnog mehanizma

KINE MATI KA

Kinematski parametri:

Usvojena brzina od 3000 [o/min] je odabrana iz sledećeg razloga. Nominalna brzina klasičnih oto motora iznosi uglavnom negde oko 6000 [o/min], odnosno 3000 puta u minuti se odviju sva četiri takta, kako je kod opisanog koncepta reč o mehanizmu koji za 6000 [o/min] ostvari 6000 radnih ciklusa, potrebno je smanjiti ugaonu brzinu pogonskog vratila da bi se dobili ekvivalentan broj radnih ciklusa, iz tog razloga je ugaona brzina kod ove koncepcije 3000 [o/min] umesto standardnih 6000 [o/min].

Hod klipa

Hod klipa se može dobiti kinematskom analizom za niz uzastopnih položaja klipnog mehanizma, gde se kao polazni paremetri uzimaju uglovi i dužinske mere elemenata kinematskog lanca sa slike 57.

Projekcija po Y osi:

Projekcija po X osi:

Dve projekcije definišu sistem sa dve jednačine u kojima se nalaze dve nepoznate od kojih je jedna koordinata S (slika 57) koja se jednostavnim računom izražava.

Diferenciranjem ovih uslova se dobijaju izrazi za ubrzanje i brzinu uočene tačke (centar klipne osovinice u ovom slučaju).

su= 49.3[mm]- hod usisavanja

ss= 44.5[mm]- hod sabijanja

sš— 72.l[mm]- hod širenja

s,=76.9[/n/n]-hod izduvavanja

Vrednosti hoda klipa za jedan obrtaj pogonskog vratila dat je slikom 58, gde su konkretne vrednosti date tabelom 1. Hod predstavlja dužinu od centra obrtanja cilindara do centra osovinice (koordinata S sa slike 57).

Na slici 59 prikazane su vrednosti iz tabele 1 razvijene u polarnim koordinatama, gde su označeni uglovi trajanja pojedinih taktova.

Putanja klipa za date kinematske parametre, gde je centar nepokretnog koordinatnog sistema vezan za osu obrtanja pogonskog vratila prikazan je na slici 60 (koordinata x i y su izražene u metrima [m]).

Brzine klipa

Analiza brzine klipa će biti izvedene za slučaj ustaljenog režima pri 3000 [o/min] pogonskog vratila. Na slici 61 prikazana je promena apsolutne brzine klipa, vrednosti su date tabelom 2.

Promena relativna brzine klipe (brzina klipa u odnosu na pokretne cilindre) pri ustaljenom režimu od 3000 radnih ciklusa po minuti data je slikom 62, vrednosti su date tabelom 3.

Ubrzanja klipa

Projekcije promene ubrzanja klipa na dve ose čiji je centar nepokretnog koordinatnog sistema postavljen u osi pogonskog vratila dat je slikom 63. Takođe je na istoj slici prikazana rezultanta ubrzanja čije su vrednosti i tabelarno date u tabeli 4.

Na slici 64 prikazana je promena relativnog ubrzanja, gde su vrednosti date tabelom 5. Ovaj grafik je posebno interesantan. Kako je poznato, ubrzanje klipa kod konvencionalnog motora ima sličan ovakav karakter (kako je i očekivano jer je ovde posmatrano samo relativno kretanje), međutim može da se uoči sledeće. Kriva ubrzanja u ovom slučaju ima tri maksimuma, jedan maksimum u prvoj polovini puta i druga dva u drugom delu puta. Poznato je da kod krive ubrzanja klipa konvencionalnog motora broj maksimuma zavisi od kinematskog faktora. 1 da se ta kriva ponavlja svakih 180 stepeni, međutim u ovom slučaju ne postoji ponovljivost jer kriva menja prirodu i nije ista za prva dva takt i druga dva takta. Razlog toga je što osa cilindra menja svoj položaj u odnosu na osu obrtanja pogonskog vratila. Drugim rečima u ovom slučaju je promenjen kinematski faktor tokom kretanja (ovu rečenicu treba shvatiti uslovno jer je dobro poznato da je kinematski faktor odnos poluprečnika kolena kolenastog vratila i dužine klipnjače i da je on konstantan). Kinematski faktor nije fizički promenjen nego je dovedeno još jedno kretanje koje rezultovalo promeni ubrzanja klipa. Upravo ta karakteristika mehanizma ostvaruje potpunije širenje.

Napomena: na CD- u koji sam priložio zajedno sa dokumentacijom nalazi se video zapis

pod imenom " relativno kretanje presek" koji opisuje relativno kretanje i gde može da se

uoči objašnjeno.

DINAMIKA

Pored inercijalnih sila koje deluju na klipni mehanizam-koje su proizvod mase i kretanja mehanizma, potrebno je u proračun ubaciti i delovanje sile pritiska gasova. Sile pritiska gasova dobijaju se iz razvijenog P-V dijagrama za svaki stepen obrtanja kolenastog vratila. Kako je ovde reč o mehanizmu koji sva četiri radna takta izvede za 360 stepeni obratanja, posmatrani P-V dijagram će biti razvijen za svaki radni stepen u opsegu od 360 stepeni (umesto standardnih 720 stepeni). Treba praviti razliku između dijagrama koji prikazuje promenu pritiska u zavisnosti od promene zapremine i dijagrama koji prikazuje promenu pritiska u zavisnosti od ugla obrtanja kolenastog vratila. Na slici 65 je prikazana promena pritiska po uglu obrtanja. Može da se primeti da negde oko 163. stepena dolazi do veoma malih promena pritiska pa se dobija utisak da kriva porasta pritiska ima tendenciju saturacije, što je zapravo posledica dolaska klipa u uslovno rečeno spoljašnju mrtvu tačku (spoljašnja mrtva tačka zapravo ne postoji, tačka kada je klip najudaljeniji bi zapravo bila na kraju takta izduvavanja).

Na slici 65 prikazana je promena pritiska koji vlada u cilindru motora. Ovakva slika opisuje promenu pritiska sa samo jedne strane klipa, da bi se dobila realna slika napadnih sila na klipni mehanizam potrebno je u proračun ubaciti i pritisak koji vlada sa druge strane klipa - atmosferski pritisak. Na sledećoj slici 66 (tabela 6) data je promena pritisaka koja deluje na klip pri čemu je uračunat i pritisak okoline, gde je zapravo dobijena zbirna vrednost pritiska koji deluje na klip. Takođe je na istom dijagramu uvedeno i stvarno zaobljenje vrednosti porasta pritiska radi dobijanja realnije slike promene pritiska.

Konačan rezultat svih sila koje deluju na klipni mehanizam se dobija sabiranjem dejstva sila pritiska gasova i inercijalnih komponenata, gde će u daljem tekstu biti prikazane konkretne vrednosti na spojevima modifikovanog klipnog mehanizma u funkciji ugla obrtanja pogonskog vratila. Kada se govori o silama pritiska gasova koje deluju uvek u pravcu ose cilindra, inercijalne sile će imati složeniji karakter.

Sile

Sile na spoju klip-klipnjača:

Sile na spoju klip-klipnjača posmatrane u koordinatnom sistemu koji je nepokretan u odnosu na klip. Na slici 67 skicirano je gde je postavljen koordinatni sistem. Sile koje su date slikom 68 predstavljaju ukupne sile koje bi delovale na klip pri ustanovljenih

3000 [ o/ min].

Masa klipne grupe:

mkg = 0,5[%]

Masa klipnjače:

<m>u=0,889fe]

Masa klipnih grupa i klipnjača je dobijena preko proizvoda zapremine tih elemenata i gustine materijala od kojih se danas izrađuju opisani elementi.

Tabelom 7 date su vrednosti sila za konkretan ugao obrtanja pogonskog vratila.

Sile na istom spoju (klipnjača-klip) ali u koordinatnom sistemu koji je vezan za centar male pesnice prikazane su slikom 70, usvojeni koordinatni sistem prikazan je slikom 69.

U tabeli 8 date su konkretne vrednosti za prikazanu sliku

Maksimalna sila koja se javlja u spoju klip-klipnjača iznosi 47079,561 [N]

^™x=47079.561[/V]

Sile na spoju klipnjača-pogonsko vratilo:

Sila na spoju klipnjača-pogonsko vratilo posmatrano u koordinatnom sistemu velike pesnice, usvojeni koordinatni sistem prikazanje na slici 71.

Rezultujuće sile na spoju klipnjača-pogonsko vratilo u koordinatnom sistemu velike pesnice date su slikom 72.

Konkretne vrednosti date su tabelom 9.

Sile u spoju klipnjača-pogonsko vratilo posmatrane u koordinatnom sistemu kolena pogonskog vratila sa slike 73 su prikazane na slci 74.

Ovaj koordinatni sistem je od izuzetnog značaja i namerno je usvojen i

preimenovan u Frad i F tag, jer će ukupnu silu razložiti na dve komponente- radijalnu i

tangencijalnu komponentu. Gde će se tangencijalna komponenta koristiti za određivanje

momenta na pogonskom vratilu.

Rezultujuće sile u spoju klip-klipnjača u koordinatnom sistemu letećeg rukavca date su slikom 74(Fb= Frad, F^,=F )vrednosti su date tabelom 10.

Maksimalna sila koja se javlja u spoju klipnjača-pogonsko vratilo iznosi 36202 (N]

Fm! a = 36202.970[7V]

Obrtni moment

Obrtni moment motora će u ovom slučaju zavisiti od zbira dva obrtna momenta: prva komponenta obrtnog momenta će se generisati na pogonskom vratilu uz dejstvo tangencijalne sile koja će delovati na krak koji je jednak veličini usvojenog poluprečnika kolena pogonskog vratila,

druga komponenta obrtnog momenta se dobija zbog postojanja normalne sile na cilindru motora, za razliku od prve komponente kod ovog momenta krak na koji deluje pomenuta sila je promenljiv.

Obrtni moment na pogonskom vratilu usled tangencijalne sile:

Promena obrtnog momenta na pogonskom vratilu za slučaj kada na klip dejstvuje rezultujuća sila (sile pritiska gasova i inercijalne sile) pri 3000 [o/min] data je slikom 75. Vrednosti koje odgovaraju grafiku date su tabelom 11.

Kako nije reč o momentu koji proizvode samo inercijalne sile, potrebno je izračunati srednju vrednost momenta koji se generiše na pogonskom vratilu.

Vrednost srednjeg momenta koji deluje na pogonsko vratilo usled tangencijalne sile na letećem rukavcu po jednom cilindru:

<M>PSR=15.954 (Nm]

Moment na rotoru:

Promena moment na rotoru uz dejstvo rezultujućih sila na samo jednom klipu data je slikom 76. Vrednosti su date tabelom 11

Vrednost srednjeg momenta na rotoru uz dejstvo inercijalnih sila i sila pritiska gasova samo jednog klipa:M ^ =59.68[Nm]

Napomena:Dobijena vrednost momenta na rotorima je pozitivna. Kod realnog

motora ova vrednost je naravno negativna ( jer je smer obrtanja pogonskog vratila uzet

kao pozitivan). Na slici 76 namerno je dobijena vrednost pomnožena sa - 1 zbog lakšeg

uviđanja vrednosti samog momenta. Realna vrednost je negativna ali se ona prvo na

zubčanicima redukuje ( smanjuje) pa zatim multiplicira( povećava) i menja smer gde dobija

pozitivan smer, odnosno smer koji će dati pozitivan rad.

Ukupan obrtni moment motora:

Ukupan obrtni moment motora se dobija sabiranjem momenta na pogonskom vratilu (Ml) i momenta na rotorima (M2) (prikazano na slici 53), koji su posledica delovanja sila na zidu cilindra rotora 9 i sile na pogonskom vratilu 5 ilustrovano slikom 44. Tako dobijen moment predstavlja vrednost koju generiše samo jedan klipno-cilindarski sklop. Da bi se dobio uvid u zakon promene i vrednosti momenta koji stvara motor, potrebno je sabrati moment onoliko puta koliko ima klipova uz poštovanje fazne pomerenosti dejstva pojedinačnih momenta.

Zbir momenta motora usled dejstva sila na jednom klipu u funkciji ugla obrtanja data je slikom 77. Vrednosti su date tabelom 12.

Srednji moment koji bi proizvodio jedan klipno-cilindarski sklop jednak je zbiru Ml(M^)iM2(^):

Musr<=>Mpsr + Mrsr= 15>95 + 59>68 = 75,53[/Vm]

Ukupan obrtni moment motora prikazanje slikom 78.

Vrednosti momenta motora u funkciji položaja pogonskog vratila date su tabelom 13.

<M>MSR=KsR<+>KsR+ ^ USR + * <* USR= 302,12[tf/n]

MU' SR- srednji moment na i-tom klipno-cilindarskom sklopu.

Motor sa četiri cilindra bi generisao obrtni moment od 302,12 [Nm]

Način industrijske upotrebeilidruge primene pronalska

Opisani motor može da se primeni na svakom polju gde se danas primenjuje konvencionalni motor SUS (transportna sredstva, agregati, pogonske mašine i si.). Konkretan primer motora je rađen u duhu upotrebe u automobilskim motorima, iz razloga što je najmasovnija upotreba ovakvih motora upravu na tom polju. Adaptiranje ovakvog motora SUS u današnja vozila je moguće, iz razloga što opisani motor ima jednake ili čak manje dimenzije i mase po jedinici snage. Jedina razlika je u tome što se izlazno vratila motora vrti dva puta manjim brzina za isti broj ciklusa. Sto znači da bi bilo potrebno adaptirati transmisije vozila za pomenuti motor. Obrtni momenti bi bili veći i redukcije manje takvih transmisija.

Claims (3)

1. Radijalno-rotacioni bezventilski četvorotaktni motor SUS sa potpunijim širenjem radnog tela sastoji iz donjeg dela (1) bloka motora i gornjeg dela (2) bloka motora u kome je smešten jedan ili više rotora (9) takvih da svaki obimno sa unutrašnje strane ima čvrsto vezan zupčanik (13) sa unutrašnjim ozubljenjem kao i radijalno smeštene cilindre sa klipovima (6) povezane preko klipnjača (7) i osovinica klipova (8) sa pogonskim vratilom (5) za koje je čvrsto vezan zupčanik (12) i koje je uležišteno u donjem delu (1) bloka motora, u kome je uležišteno i malo vratilo (20) za koje su čvrsto vezani zupčanici (18, 19), pri čemu je zupčanik (18) spregnut sa zupčanikom (13) rotora, a zupčanik (19) spregnut sa zupčanikom (12) na pogonskom vratilu (5), naznačen time što je osa obrtanja pogonskog vratila (5) postavljena ekscentrično u odnosu na osu obrtanja rotora (9).

2. Radij alno-rotacioni bezventilski četvorotaktni motor SUS sa potpunijim širenjem radnog tela prema zahtevu 1 naznačen time što oblik dela spoljašnje površine rotora (9), gornjeg dela (2) bloka motora i donjeg dela (1) bloka motora ima oblik sfernog isečka.

3. Radij alno-rotacioni bezventilski četvorotaktni motor SUS sa potpunijim širenjem radnog tela prema zahtevu 1 naznačen time što prenosni odnos između ugaone brzine rotora (9) i ugaone brzine pogonskog vratila (5) iznosi - 1.