SI8910580A - Motor z notranjim, od delovnega valja ločenim zgorevanjem in z zunanjim komprimiranjem - Google Patents

Abstract

zum spada na področje motorjev z notranjim zgorevanjem, pri katerih so priprava, komprimiranje in vžig medija prestavljeni iz delovnega valja motoija. V glavi motorja je razporejena zgorevalna votlina (13), ki je z ventiloma (4,5) ločena na eni strani od polnilnega dela postrojenja in na drugi strani od delovnega valja (6). Pri minimalni konfiguraciji je gred polnilnega kompresorja (22) preko prenosnika (28) s stalnim prestavnim razmerjem vezana na ročično gred in v sesalni vod (26) kompresorja (22) vgrajena regulacijska loputa (27). Pri popolnejši konfiguraciji je na ročično gred preko prenosnika (28’) s spremenljivim prestavnim razmerjem priključena gred osno sproženih, v pretočnem smislu zaporedno vezanih kompresorjev (29, 30). Na vhodu v vsakokratni kompresor se nahaja hladilnik (32’, 32), na izhodu iz drugega kompresorja (30) se nahaja grelnik (35). Na izpušni kanal (10) motorja je priključena turbina (38), katere gred je sprožena z gredjo kompresorja (37), katerega izhod napaja preko hladilnika (32’) kompresor (29). Izhod iz turbine (38) je speljan skozi grelnik (35).

Description

UNIVERZA EDVARDA KARDELJA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Motor z notranjim, od delovnega valja ločenim zgorevanjem in z zunanjim komprimiranjem

Področje tehnike

Izum spada na področje motorjev z notranjim zgorevanjem s predkomoro za izboljšanje načina delovanja, zlasti motorjev, pri katerih se predkomora proti delovnemu cilindru periodično zapira.

Predmeti te vrste so v mednarodni razvrstitvi patentov uvrščeni v razred F 02B 19/02.

Tehnični problem

Izhajajoč iz motorja z deljenim zgorevalnim prostorom bencinskega motorja z električnim vžiganjem in dizelskega motorja, ki ob startu deluje na električni vžig ali kako drugače, zatem pa s samovžigom, ter iz pogonskih naprav, opremljenih z motorji z notranjim zgorevanjem s tlačnim polnjenjem, je izum osnovan na problemu, kako značilnosti ene in druge skupine motorjev združiti, da bodo tehnično izvedljivi ukrepi, ki (po teoriji termodinamike) privedejo do optimalnega izkoristka in delovne sposobnosti, t.j. da se bo dalo pri danem ekspanzijskem razmerju naprave med stiskanjem zraka odvajati toploto, da se bo dalo energijo izpušnih plinov vračati stisnjenemu zraku in da bo možno doseči podaljšano ekspanzijo procesa.

Stanje tehnike

Za krmiljenje pretoka delovne snovi skozi valj motorja z notranjim zgorevanjem se uporabljajo krmilni organi, ki r

so lahko sam delovni bat (dvotaktni motorji) ali pa ventili in zasuni različnih oblik in različnih načinov gibanja.

Za znane rešitve motorjev z notranjim zgorevanjem je značilno, da krmilni organi te vrste krmilijo iztekanje snovi iz valja in vtekanje snovi v delovni valj, v katerem poteka proces zamenjave delovnega medija, notranje stiskanje, vžiganje, zgorevanje in ekspanzija. Zgorevanje poteka v prostoru v 'valju nad batom, ki je lahko scela ali deljen, v slednjem primeru izveden z od glavnega zgorevalnega prostora neposredno nad valjem ločenim prostorom, vendar z njim neprekinjeno povezan 3 pretočnim kanalom.

Med tzv. ottovimi motorji je znan motor s plastno pripravo zmesi s predkomoro (Honda^ motor CVCC). Zanj je značilno, da se predkomora napaja z bogato zmesjo iz prvega uplinjača in da je vtekanje krmiljeno z ventilom. V drugem

- 3 Liplinjaču se pripravlja revnejša zmes, ki vteka v- prostor valja neposredno nad batom. Vtekanje bogate in revne zmesi poteka v fazi, ko se bat giblje od ZML do SML, kot je normalno pri 4-taktnih motorjih.

Vsi zgoraj navedeni motorji imajo ali enovit zgorevalni prostor neposredno nad batom ali pa deljen zgorevalni prostor (CVCC), vendar je povezava med njimi in prostorom nad batom stalna in z nobenim krmilnim organom prekinjena. Taki motorji omogočajo le 4-taktno delovanje, če se tudi bata ne uvede ^v P^roces krmiljenja zamenjave delovne-snovi skozi odprtine v spodnjem delu samega valja.

Taki motorji so omejeni v svoji učinkovitosti nasproti motorju z 2-taktnim delovanjem pri isti' vrtilni hitrosti, razen tega pa tudi ne dopuščajo uvajanja regeneracije toplote kot znanega načina za izboljšanje izkoristka.

Opis rešitve tehničnega problema s primeri izvedbe

Problem je rešljiv z ločeno zgorevalno komoro, ki se nahaja v vstopnem sistemu, po katerem se dovaja delovni medij. Zgorevalna komora se preko odpiranja ventilov povezuje enkrat z izvorom stisnjenega medija, stisnjenega izven valja motorja, drugič pa z delovnim valjem, konkretno s prostorom nad batom. Pri tzv. ottovih motorjih kratki stik med zgorevalno komoro in prostorom v valju ni nikoli vzpostavljen, pri dieselskih motorjih, značilnih po višjih tlakih v trenutku začetka zgorevanja, pa se tak kratek stik lahko vzpostavi i.s. ko je bat na drugi polovici svoje poti od SML proti

- 4 ZML. S tem se izvede izpiranje in polnjenje valja s svežo zmesjo, ki se potem naprej komprimira do višjih tlakov, značilnih za sodobne dieselske motorje.

Pri vzpostavljeni zvezi med izvorom stisnjenega zraka in zgorevalnim prostorom se slednji polni s stisnjenim medijem. Po zaprtju komore se pred vzpostavitvijo zveze z valjem sproži zgorevanje - bodisi z vžigom vnaprej pripravljene zmesi z iskro na svečki ali z vbrizganjem goriva, ki se vžge zaradi temperature zraka v komori. Po sprožitvi zgorevanja se vzpostavi zveza z delovnim valjem, v katerega steče zgorevajoča snov pri gibanju bata od ZML proti SML in se vrši ekspanzija do prihoda bata v SML, ko se začne izpuh.

Prostornina ločenega zgorevalnega prostora je relativno na gibno prostornino delovnega valja lahko izbrana v sorazmerno širokih mejah, z ozirom na običajni vsakdanji motor pa bi bila referenčna prostornina enaka prostornini valja nad batom običajnega motorja, ko je on v ZML.

Izum v nadaljnjem pobliže predstavljamo na osnovi izvedbenega primera osrednjega sklopa motorja celotnega postrojenja, ki obsega tak motor, sklicujoč se pri tem na priložene načrte, v katerih kaže sl.1 situacijsko predstavitev vgraditve zgorevalne komore s krmiljenima kanaloma med komoro in izvorom medija pod tlakom in med komoro in prostorom nad batom v valju motorja, sl.2 glavo motorja z v njej nahajajočim se ločenim prostorom kot zgorevalno komoro,

- 5 al.3 polarni diagram krmiljenja vtekanja snovi v komoro motorja s sl.2 in iztekanja snovi iz nje za primer nižjih tlakov medija v komori v začetku zgorevanja, sl.4 polarni diagram krmiljenja vtekanja snovi v komoro motorja s sl.2 in iztekanja snovi iz nje za primer višjih tlakov medija v komori v trenutku začetnega zgorevanja, sl.5 motorski sklop z minimalno aparaturno opremljenostjo na vstopnem delu motorja in sl.6 motorski sklop z bogatejšo aparaturno opremljenostjo jia vstopnem delu motorja.

Zasnovo motorja z od delovnega valja ločenim prostorom, ki predstavlja zgorevalno komoro, kaže sl.1.

Gre za zgorevalno komoro 1, ki je proti kompresorju in delovnemu prostoru 3 razmejena z vstopnim ventilom 4 in izstopnim ventilom 5. Na sl.1 ni posebej nakazana rešitev vnosa goriva v stisnjeni zrak, ker je za izum to vprašanje nepomembno. Tok medija je seveda enosmeren.

Bistvo izuma je v združitvi komore 1, vključno vžigalne svečke, in obeh ventilov 4, 5 v prostorsko zgoščeno enoto znotraj glave motorja, o čemer je govor v nadaljnjem.

Sl. 2 kaže v osnem prerezu zgornji odsek delovnega valja 6 motorja z batom 7 v valju 6 neposredno pred svojo ZML ter na delovni valj 6 od zgoraj priključeno glavo 8 motorja v pokončnem prerezu vzdolž osi vstopnega kanala 9, izstopnega kanala 10 in vžigalne svečke 11

- 6 Pred izstopnim ustjem 12 vstopnega kanala 9 je slednji razširjen v valjasto votlino 13. Ventila 4, 5 sta krožnikaste vrste, pri čemer je krožnik 15 ventila 4 premakljiv v votlino 13, krožnik 16 ventila 5 pa v delovni prostor 3 valja 6.

Za primer dizelske uporabe motorja je poleg svečke 11 kot zagonskega pripomočka v glavo 8 motorja vgrajena (neprikazana) brizgalka za gorivo, ki gorivo vbrizgava neposredno v votlino 13.

Konstrukcijsko analogno kot vstopni kanal 9 je tudi izstopni kanal 10 motorja na svojem vstopnem ustju 17 opremljen s krožnikastim ventilom 19, katerega krožnik 20 je premakljiv v delovni prostor 3 valja 6.

Geometrijske in kinematske značilnosti konstrukcije po sl.2 so v glavnem odvisne od tega, za kolikšen tlak gre pri stiskanju medija. Zgolj kot koristno napotilo, a z nikakršnim omejevalnim namenom, predstavljamo na sl.3 polarni diagram krmiljenja vtekanja snovi v votlino 13 in iztekanja vžgane snovi iz njega v delovni prostor 3 valja 6 za primer, ko zrak v kompresorju 2 stisnemo na vrednost do okoli 25 bar; na sl.4 pa enako kot na sl.3, toda za primer tlakov nad 25 bar. V obeh slikah je prikazano tudi krmiljenje iztekanja iz prostora 3 valja 6 v izstopni kanal 10.

V obeh primerih gre za istopomenske oznake, ki pomenijo:

ZML zgornja mrtva lega,

SML spodnja mrtva lega,

š	trenutek odpiranja izstopnega kanala 10,
	trenutek zapiranja izstopnega kanala 10,
v k-z,o	trenutek odpiranja ventila 4 med kompresorjem 2 in votlino 13,
vk-z,z	trenutek zapiranja ventila 4 med kompresorjem 2 in votlino 13,
v Z-V,0	trenutek odpiranja ventila 5 med votlino 13 in delovnim prostorom 3 valja 6,
V z-v, z	trenutek zapiranja ventila 5 med votlino 13 in delovnim prostorom 3 valja 6,
ψΐζρ f kom	kot trajanja izpiranja prostora 3, kot trajanja notranjega stiskanja (komprimiranja) v delovnem prostoru 3 valja 6,
exp	kot trajanja ekspanzije,
φι	kot trajanja izpuha,
Tk-z	kot trajanja zveze med kompresorjem 2 in votlino 13, in
Ifz-V	kot trajanja zveze med votlino 13 in delovnim prostorom 3 valja 6. Za dotok stisnjenega medija v votlino 13, torej v

zgorevalno komoro, je na razpolago cel hod bata od SML do tik pred ZML. Zgorevanje v komori je najprej ižohorno, po vzpostavitvi zveze med komoro in delovnim valjem pa v bistvu izobarno.

Pred začetkom zgorevanja so v zgorevalni komori pri dizelskem postopku potrebni visoki tlaki delovnega medija. Ti so dosegljivi glede na dane razmere lahko tudi s

- 8 pomočjo notranjega komprimiranja, kar gre na račun zadosti zgodnjega izpiranja, izpušnega ventila.

Pri opisu izvedbenega primera motorja (sl.2) smo zaradi poenostavitve uporabili eno samo enoto delovnega valja. Iz razlogov, ki so v stroki znani, se v praksi gradi motorje z več enotami delovnega valja, združenimi v blok.

Kompresor 2 po sl. 1 se v izvedbenih primerih lahko pojavlja v obliki različnih stopenj aparaturne opremljenosti (konfiguracije). Primer motorja z notranjim zgorevanjem, zasnovanega po sl. 2, je na sl. 5 in sl. 6 predstavljen najprej s skromnejšo in zatem z bogatejšo aparaturno opremljenostjo (konfiguracijo).

Kompresor 22, v danem primeru volumetrični, je po sl.5 preko svojega tlačnega cevovoda 23 priključen na vstopni priključek 24 razdelilne cevi 25, ki je priključena na vstopne kanale 9 pred zgorevalnimi votlinami 13. V sesalnem cevovodu 26 kompresorja 22 se nahaja regulacijska loputa 27, ki je v danem primeru sklopljena z uplinjačem 27’. Preko prenosnika 28 je med kompresorjevo in ročično gredjo samega motorja vzpostavljena trajna kinematska vez. Za dosego optimalnega obratovanja je predvideno vodno hlajenje motorja.

V ta namen je v hladilni sistem vključena črpalka a, ki je gnana od ročične gredi motorja posredno preko prenosnika b. Istoosno s črpalko a je na prenosnik b priključen hladilni propeler c, ki je razporejen nasproti radiatorju d, katerega vhod je preko termostata e priključen na glavo motorja, izhod pa na vhod črpalke a.

- 9 V zasnovi po sl. 6 sta mehansko združena dva batna (volumetrična) kompresorja 29, 30 ter (turbo-)kompresor 37 in turbina 38. V nizkotlačni, vstopni vod 26 turbokompresorja 37 je vgrajen uplinjač 27’. Visokotlačni vod 26’ turbokompresorja 37 je speljan v hladilnik 32’, iz katerega je kot nizkotlačni vod 26 speljan k batnemu kompresorju 29. Na visokotlačno stran turbine 38 je priključen izstopni kanal 10 motorja, izvod 38* iz nizkotlačne strani turbine 38 pa je speljan skozi grelnik 35 na prosto.

Tlačni cevovod 31 batnega kompresorja 29 je speljan v hladilnik 32, katerega izhodni cevovod 33 je speljan k sesalnemu nastavku drugega batnega kompresorja 30.

Tlačni cevovod 34 kompresorja 30 je speljan v grelnik 35, katerega izhodni cevovod 36 je priključen na motor kot v primeru sl. 5.

Skozi hladilnik 32* in zatem hladilnik 32 je speljan izvodni vod f iz radiatorja d, nakar je kot dovodni vod g priključen na vhod črpalke ja.

Gred kompresorja 29 in ročična gred motorja sta spreženi preko prenosnika 28’ s spremenljivim prestavnim razmerjem. Votlina 13, t.j. zgorevalna komora motorja, se znotraj ene delovne periode , ki traja določen časovni interval, povezuje in ločuje na eni strani preko vstopnega ventila 4 z/od polnilnega kompresorja 2 (sl.1), 22 (sl.5), 30 (sl.6), na drugi pa preko izstopnega ventila 5 z/od delovnega prostora 3 valja 6. Krmiljenje ventilov 4, 5 omogoča tudi neposredno zvezo (kratek stik) med polnilnim

- 10 kompresorjem 2, 22, 30 in prostorom 3 valja 6, kar pride v poštev psredvsem pri dizelskem obratovanju pri gibanju bata 7 od SML k ZML, ko gre za drugo polovico te poti.

Po dotoku stisnjenega medija v votlino 13 in po zaprtju slednje pride do vžiga medija, še predno se ventil 5 odpre. Vžig medija in temu sledeče odprtje ventila 5 je naravnano na gibanje bata 7 od ZML proti SML, kar v procesu pomeni ekspanzijo.

Za izum je značilno, da se da prostornino votline 13 glede na gibno prostornino delovnega valja 6 sorazmerno enostavno menjati v širokih mejah, na splošno pa odmerjamo velikost votline 13 istega ranga kot znaša velikost prostora 3 pri motorjih z zgorevanjem znotraj valja 6, merjena v položaju bata v ZML.

Odpiranje ventila 5 je lahko samodejno, zapiranje pa mora biti krmiljeno. Namesto svečke 11 je pri dizelskem motorju vgrajena brizgalka za gorivo.

Minimalna konfiguracija (sl.5) omogoča delovanje motorja (sl.2) z veliko učinkovitostjo zaradi dvotaktnosti. Po specifični moči na enoto gibne prostornine presega konvencionalni 4-taktni motor, na osnovi specifičnosti načina zamenjave delovnega medija pa tudi konvencionalni 2-taktni motor. Pričakuje se poboljšanje emisije, predvsem ogljikovodikov.

Maksimalna konfiguracija (sl.6) v vstopnem, kompresorskem sistemu motorja vsebuje komponente, ki v proces uvajajo ukrepe za povečanje izkoristka procesa. Ti ukrepi so:

- 11 - približevanje izotermni kompresiji s hlajenjem med posameznimi stopnjami komprimiranja, kar zmanjšuje za koraprimiranje potrebno tehnično delo;

- izkoriščanje energije izpušnih plinov v turbokompresorju kot eni od stopenj večstopenjskega komprimiranja;

- regeneracija toplote - prenos toplote iz izpušnih plinov, ki zapuščajo turbino, na že komprimirano delovno snov;

- regulacija obremenitve oz. pretoka medija skozi motor s spreminjanjem vrtilne hitrosti mehansko poganjanih kompresorjev.

Motor ima tako v minimalni kot v maksimalni konfiguraciji naslednje osnovne značilnosti: vžiganje vnaprej pripravljene zmesi, dvotaktnost - vsak vrtaljaj je energijsko aktiven, mehanski pogon batnega kompresorja omogoča hladni zagon motorja z evenutalno potrebnimi zagonskimi pomagali, motor spravimo v določeno obremenitveno stanje s tlakom komprimiranja, reguliranega z dušenjem ali z variacijo vrtilne hitrosti mehansko poganjanih kompresorjev, uvedena regeneracija toplote, ki za samo delovanje motorja ni nujna, prispeva k ekonomičnosti procesa, in omogočena je podaljšana ekspanzija pri delnih obremenitvah pa tudi skrajšana ekspanzija pri maksimalnih obremenitvah, ki presegajo predvideno nominalno. Pri tem smatramo za nominalno obremenitev tisto obremenitev, ko je tlak v zgorevalni komori pred začetkom zgorevanja enak tlaku, ki ga dosega na koncu faze komprimiranja konvencionalni motor. Pri tem mora biti kompresijsko razmerje enako kompresijskemu razmerju konvencionalnega referenčnega motorja.

- 12 Pri komparativnem vrednotenju konceptov v odnosu na konvencionalni 4-taktni motor je treba oceniti tudi delo trenja. Kar se trenja zaradi gibanja bata tiče, v primeru predlaganega koncepta odpade zaradi dvotaktnega postopka delo trenja enega celega vrtljaja, ki pri 4-taktnem motorju obsega fazo komprimiranja in fazo vtekanja, medtem ko torne izgube v fazah ekspanzije in izpuha lahko smatramo enake. Večje izgube dela zaradi zunanjega komprimiranja se s tem domnevno kompenzirajo, kar pomeni vsaj enako ekonomičnost motorja po predlogu kot 4-taktnega, vendar pri podvojeni specifični moči.

Motor omogoča tudi dieselsko obratovanje v pogojih nizkega tlaka komprimiranja, z doseganjem temperatur vžiganja vbrizganega goriva z uvedbo regeneracije. V tem primeru so za zagon motorja obvezna zagonska pomagala, kot npr. uporaba lahko hlapljivih goriv, vžig s svečko, žarilna svečka idr.

Dieselsko obratovanje v pogojih visokega tlaka komprimiranja (konvencionalni dieselski postopek) je tudi mogoče. Tedaj se zahteva visoko komprimiranje, ki se dokonča v samem valju v drugi polovici poti bata od SML proti ZML.

Namesto hlajenja s kapljevino lahko hladimo tudi s plinastim medijem. V tem primeru se zgradba ustrezno spremeni

Claims (4)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Motor z notranjim, od delovnega valja ločenim zgorevanjem in z zunanjim komprimiranjem, označen s tem, da je v tlačni vod (23; 36) kompresorja (2; 22; 30) pred njegovim priključkom na delovni valj (6) včlenjena proti kompresorju (2; 22; 30) in proti valju (6) z ventiloma (4, 5) povezljiva zgorevalna votlina 03).
2. 2. Motor po zahtevku 1, označen s tem, da je votlina (13) s svojima ventiloma (4, 5) združena v prostorsko zgoščen sklop v glavi (8) motorja.
3. 3. Motor po zahtevku 1 ali 2, označen s tem, da je na ročlčno gred preko prenosnika (28) s stalnim prestavnim razmerjem priključena gred batnega volumetrlčnega kompresorja (22), katerega tlačni cevovod (23) je neposredno priključen k vstopnemu priključku (24) razdelilne cevi (25) za vstopne kanale (9) motorja in v katerega sesalni cevovod (26) je vgrajena regulacijska loputa (27).
4. 4. Motor po zahtevku 1 ali 2 in v modifikaciji I, označen s tem, da je na ročično gred preko prenosnika (28’) s spremenljivim prestavnim razmerjem priključena gred osno spreženih batnih kompresorjev (29, 30), pri čemer je med tlačni cevovod (31) prvega kompresorja (29) in sesalni cevovod (33) drugega kompresorja (30) vgrajen hladilnik (32) in je v tlačni cevovod (34) drugega kompresorja (30) vgrajen grelnik (35), skozi katerega je proti atmosferi speljan izvod (38’) iz plinske turbine (38), na katere vhod je priključen izstopni kanal (10) motorja in s

   - 14 katere gredjo je mehansko sprežen turbokompresor (37), katerega visokotlačni izhod je preko voda (26’) povezan z nadaljnjim hladilnikom (32’), katerega izhod je povezan z vstopnim cevovodom (26) prvega batnega kompresorja (29), pri čemer je skozi hladilnika (32’, 32) speljan odvodni cevovod (f) iz radiatorja (d), ki je na drugi strani hladilnikov (32*, 32) speljan k vhodu hladilne črpalke (a).

   Za

   UNIVERZA EDVARDA KARDELJA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO:

   20691-111-89/KA

   -45POVZETEK

   Izum spada na področje motorjev z notranjim zgorevanjem, pri katerih so priprava, komprimiranje in vžig medija prestavljeni iz delovnega valja motorja. V glavi motorja je razporejena zgorevalna votlina 13, ki je z ventiloma 4, 5 ločena na eni strani od polnilnega dela postrojenja in na drugi od delovnega valja 6. Pri minimalni konfiguraciji je gred polnilnega kompresorja 22 preko prenosnika 28 s stalnim prestavnim razmerjem vezana na ročično gred in v sesalni vod 26 kompresorja 22 je vgrajena regulacijska loputa 27. Pri popolnejši konfiguraciji je na ročično gred preko prenosnika 28’ s spremenljivim prestavnim razmerjem priključena gred osno spreženih, v pretočnem smislu zaporedno vezanih kompresorjev 29, 30. Na vhodu v vsakokratni kompresor se nahaja hladilnik 32’, 32, na izhodu iz drugega kompresorja 30 se nahaja grelnik 35. Na izpušni kanal

   10 motorja je priključena turbina 38, katere gred je sprežena z gredjo kompresorja 37, katerega izhod napaja preko hladilnika 32’ kompresor 29. Izhod iz turbine 38 je speljan skozi grelnik 35.