SK1122007A3 - Motor s pretlakovým kyvadlovým expanzným piestom - Google Patents

Abstract

Spaľovací motor s pretlakovým kyvadlovým expanzným piestom využíva dva páry valcov, kde jeden pár sú kompresné valce a druhý pár sú expanzné valce. Kompresné piesty sú spojené s rotačným kľukovým hriadeľom a expanzné piesty sú spojené s kyvadlovým kľukovým hriadeľom. Zdvihový objem kompresných valcov je väčší ako pri expanzných valcoch. Nevyužitý stlačený vzduch pri kompresii je uložený v zásobníku.

Description

Motor s pretlakovým kyvadlovým expanzným piestom.

Oblasť techniky

Vynález sa týka zlepšenia účinnosti spaľovacích a tepelných motorov vhodnejším usporiadaním mechanizmu a zmenou konštrukčných parametrov jednotlivých dielov motora.

Doterajší stav techniky

1. Súčasné spaľovacie motory majú všetky piesty v pevnej väzbe s kľukovým hriadeľom, ktorý vykonáva plný (360 deg stupňov) rotačný pohyb.

2. Súčasné spaľovacie motory majú kompresiu a expanziu zmesi v jednom a tom istom valci.

3. Súčasné spaľovacie motory nevyužívajú pri brzdení pohybu stroja kompresiu vzduchu do zásobníku.

Podstata vynálezu

Spočíva v zostavení mechanizmu piestového motora tak, aby mal priaznivejšie vlastnosti. Mechanizmus pozostáva z párov valcov, expanzných a kompresných. Kde kompresné valce sú v mechanickej väzbe spojené pomocou ojnice s rotačným kľukovým hriadeľom, ktorý vykonáva rotáciu v jednom smere otáčania o plných 360 deg stupňov a vykonáva nasávanie a kompresiu vzduchu. Expanzné valce sú v mechanickej väzbe spojené ojnicou s kyvadlovým kľukovým hriadeľom, ktorý nevykonáva rotáciu o plných 360 deg stupňov, ale hriadeľ vykonáva kyvadlový pohyb. Expanzné valce vykonávajú expanziu (spaľovanie zmesi) a výfuk spalín. Tento pohyb je dosiahnutý vďaka dĺžke kľuky hriadeľa, ktorá je väčšia ako dĺžka polovičky zdvihu piestu a zároveň vyosenim osi piesta od osi kyvadlového kľukového hriadeľa , pričom osi sú na seba nadalej kolmé. Touto úpravou, ked piest je v hornej a dolnej úvrati, dosiahnutý krútiaci moment nemá nulové hodnoty ako u klasických motorov v hornej a dolnej úvrati piestov. Kde pri týchto polohách u klasických motorov je výsledný krútiaci moment nulový, pretože polomer činnej kľuky na os kľukového hriadeľa je nulový. U tu prihlasovaného vynálezu je činný polomer krútiaceho momentu v hornej a dolnej úvrati rovný vzdialenosti vyosenia expanzného piesta a výsledný krútiaci moment nemá nulové hodnoty v žiadnej polohe. Oba kľukové hriadele, rotačný a kyvadlový, sú spojené v mechanickej väzbe pomocou ojnice. Čím je dosiahnutá cyklickosť expanzných valcov a prenos výkonu z kyvadlového kľukového hriadeľa na rotačný kľukový hriadeľ a tým výstup výkonu v plnej rotácii o 360 deg stupňov.

Navrhované expanzné valce majú menší zdvihový objem ako kompresné valce. Týmto je dosiahnutý vyšší kompresný pomer ako u klasických motorov.

Stlačený vzduch je odvádzaný z kompresných valcov do expanzných valcov cez priechodové potrubie, ktoré má priame spojenie so zásobníkom stlačeného vzduchu.

Zásobník ma opodstatnenie ako poistný ventil a ako uskladnenie nevyužitého stlačeného vzduchu, ktorý sa môže načerpávaf pri stave kedy motor pracuje v režime, keď nie je potrebné aby motor dodával výkon, ale pôsobil ako brzda. Načerpaný stlačený vzduch je možné znova použiť pri expanzii.

Pracovný proces prebieha nasatím vzduchu do kompresného valca, kde piest je v mechanickej väzbe s rotačným kľukovým hriadeľom, ktorý vykonáva plnú rotáciu. Následne sa vzduch stlačí prechodom kompresného piestu z dolnej úvrate do hornej úvrate. Stlačený vzduch je potom priechodovým potrubím dopravený do expanzného valca, kde je v hornej úvrati piesta vstreknuté palivo. Zapálením zmesi pomocou motorovej sviečky elektrickou iskrou sa horením zmesi zvýši teplota a tlak v expanznom valci, čím dochádza k prenosu energie z tepelnej na kinetickú. Pohyb expanzného piesta je prevedený ojnicou v mechanickej väzbe na kyvadlový kľukový hriadeľ. Kyvadlový kľukový hriadeľ je spojený mechanickou väzbou pomocou ojnice s rotačným kľukovým hriadeľom. Rotačný kľukový hriadeľ má v pevnej väzbe zotrvačník s ozubením. Čím je dosiahnutá cyklickosť navrhovaného riešenia a výstup výkonu ďalej do poháňaného systému.

V režime, keď motor pôsobí ako brzda, je vzduch stláčaný kompresným piestom a dostáva sa do priechodového potrubia. Ventily, ktoré privádzajú stlačený vzduch do expanzného valca a výfukové ventily sú v tomto režime uzavreté a palivo nie je vstrekované. Potom expanzný valec beží naprázdno. Stlačený vzduch prechádza z priechodového potrubia do zásobníku stlačeného vzduchu. Ak dôjde k načerpaniu vzduchu o výške tlaku, ktorý je už kritický pre únosnosť zásobníka, poistný tlakový ventil na zásobníku vypustí vzduch do priestoru. Kompresné piesty budú aj naďalej čerpať energiu z brzdenia. Keď dôjde k potrebe dávať výkon, tak expanzné valce sa uvedú opäť do pracovného režimu a stlačený vzduch v zásobníku môže byť využitý spätne. Priechod stlačeného vzduchu v priechodovom potrubí a zásobníku je riadený samovoľne pomocou tlakových ventilov.

Ventily na valcoch sú ovládané aktívne podľa režimu motora. Nasávací kompresný ventil, ktorým vstupuje vzduch do kompresného valca vykonáva rovnakú činnosť vo všetkých režimoch, otvorený pri nasávaní a uzavretý pri kompresii. Ventil, ktorým prechádza vzduch do priechodového potrubia z kompresného valca je v režime motora pri záťaži otvorený iba na konci kompresie vzduchu, ale v režime motora pri brzdení je ventil otvorený počas celej kompresie a zavretý pri nasávaní, aby bolo možné už načerpaný stlačený vzduch stlačiť na väčší tlak. Ventil, ktorým sa dostáva stlačený vzduch z priechodového potrubia do expanzného valca je v režime motora pri záťaži otvorený v hornej úvrati expanzného piesta. V režime motora pri brzdení je tento ventil uzavretý počas celého cyklu. Výfukový ventil v režime motora pri záťaži je otvorený pri výfuku spalín a to pri prechode valca z dolnej úvrate do hornej úvrate. Keď motor je v režime brzdenia ventil ostáva uzavretý počas celého cyklu.

- Výhody:

- Vyosením piestu od osi kyvadlového hriadeľa je dosiahnutý vyšší výkon ako u klasického rotačného kľukového mechanizmu pri rovnakom zdvihovom objeme a dĺžke zdvihu.

- Pri chode motora v režime brzdenia je možné brzdiť kompresiou vzduchu a stlačený vzduch ponechávať v zásobníkovej tlakovej nádrži, pričom expanzný valec nemá prísun paliva ani stlačeného vzduchu. Potom je možné načerpaný stlačený vzduch použiť spätne na expanziu.

- Pretože objem kompresného valca je väčší oproti expanznému valcu, bude mať stlačený vzduch na konci kompresie vyšší tlak ako u bežných motorov, kde objem valcov je rovnaký. Tým bude dosiahnutý väčší kompresný pomer.

- Nie je nutné chladiť expanzné valce, pretože kompresia je uskutočňovaná v inom valci ako expanznom, a tým nedochádza k strate výkonu, čo spôsobuje u bežných motorov ohrievanie vzduchu pri kompresii od stien valcov a ochladzovanie horiacej zmesi od valcov pri expanzii.

- Výstupný krútiaci moment nemá nulové hodnoty, pretože polomer u krútiaceho momentu nemá nulové hodnoty počas celého cyklu u expanzných piestov.

Tieto výhody majú prínos v nižšej spotrebe pohonných hmôt alebo vyššieho výkonu.

- Nevýhody:

- Viac súčiastok potrebných na chod motora v porovnaní s klasickým piestovým motorom, ktorý má všetky valce v pevnej mechanickej väzbe s rotačným kľukovým hriadeľom.

- Nutnosť aktívne meniť činnosť ventilov podľa režimu motora speje k väčšiemu počtu súčiastok, ale môže byť aj prínosom pre lepšie ovládanie motora a jeho efektívnejší chod.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na priloženom výkrese je schematicky znázornený mechanizmus zapojenia prihlasovaného vynálezu. Kde sú štyri samostatné obrázky POHĽAD A, ktorý je pôdorysný pohľad a tri rezy, ktorých rovina rezu je znázornená v obrázku pohľad A.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Na priloženom výkrese je schematické konštrukčné prevedenie štvorvalcového spaľovacieho motora. Základnou stavebnou časťou je blok motora 18, v ktorom je uloženie ložísk pre rotačný kľukový hriadeľ 3 a kyvadlový kľukový hriadeľ 1. Hlava kompresného valca 6 a expanzného valca 8 sú v pevnej väzbe s blokom motora 18. Rotačný kľukový hriadeľ 3 pomocou ojnice 5 je spojený s kompresnými valcami 7. Vzduch je do kompresných valcov 7 privádzaný cez nasávacie potrubie a sací ventil

13. Stlačený vzduch je odvádzaný do priechodového potrubia 19 cez ventil 15. Z priechodového potrubia 19 je stlačený vzduch podľa aktuálneho stavu chodu motora prevedený buď pri stave brzdenia motorom do zásobníka 10 samovoľne pomocou vzduchového ventila 12, alebo pri stave záťaže kedy motor produkuje výkon do expanzného valca 8 cez ventil prívodu stlačeného vzduchu 16. Kompresný valec 6 má pre dosiahnutie väčšieho kompresného pomeru väčší zdvihový objem V6 ako expanzný valec 8, kde jeho zdvihový objem je V8. Stlačený vzduch a palivo sa do expanzného valca 8 vpúšťa, keď expanzný piest 9 je v hornej úvrati. Prívod paliva je cez samostatné potrubie a dýzu 17. Potom sa zmes zapáli pomocou motorovej zapaľovacej elektrickej sviečky 11, alebo pri prevedení so spaľovaním nafty sa vznieti. Zapálením zmesi dôjde k jej horeniu, čím sa dosiahne zvýšenie tlaku a vytláčaniu expanzného piesta 9. Expanzný piest 9 je spojený sojnicou 5 a s kyvadlovým kľukovým hriadeľom 1 tak, že os expanzného piesta je vyosená o vzdialenosť Lp. Kyvadlový kľukový hriadeľ 1 je spojený s ojnicou 2 a rotačným kľukovým hriadeľom 3 čím je dosiahnutý cyklický kinematický systém a pomocou zotrvačníka s ozubením 4 je výkon smerovaný ďalej do poháňaného systému. Vzniknuté spaliny v expanzných valcoch 8 sú odvádzané cez výfukový ventil 14. Medzi zásobníkom stlačeného vzduchu 10 a priechodovým potrubím 19 sú ventily 12, ktoré usmerňujú tok stlačeného vzduchu a to tak, že keď je motor v záťaži stlačený vzduch prúdi do expanzného valca 8. Ak je motor v režime brzdenia potom ventil 15 je pri kompresii otvorený od začiatku kompresie, čím sa umožní pretlakovanie stlačeného vzduchu na vyšší tlak a ten sa prevedie cez priechodové potrubie 19 do zásobníka stlačeného vzduchu 10. Pri presiahnutí kritického tlaku, pri ktorom by mohlo dôjsť k poškodeniu zásobníka stlačeného vzduchu 10 vzduch unikne do priestoru pomocou poistného ventila 20.

.Priemyselná využiteľnosť

Spaľovacie motory a ostatné tepelné stroje využívajúce pre prenos tepelnej energie na kinematickú energiu tu opísaný spôsob mechanizmu s pretlakovým kyvadlovým expanzným piestom.

Claims (5)

1. Motor s pretlakovým kyvadlovým expanzným piestom vyznačujúci sa tým, že kompresné piesty (7) sú v spojení s rotačným kľukovým hriadeľom (3) v ľubovoľnom počte piestov a expanzné piesty (9) sú v spojení s kyvadlovým kľukovým hriadeľom (1) v ľubovoľnom počte piestov.

2. Motor s pretlakovým kyvadlovým expanzným piestom vyznačujúci sa tým, že na prevedenie energie získanej pri spaľovaní na výstupný krútiaci moment z rotačného kľukového hriadeľa (3) je použitý mechanizmus v zapojení expanzný piest (9), ojnica (5), kyvadlový kľukový hriadeľ (1), ojnica (2) a rotačný kľukový hriadeľ (3).

3. Motor s pretlakovým kyvadlovým expanzným piestom vyznačujúci sa tým, že kompresia sa uskutočňuje v kompresných valcoch (6) a expanzia sa uskutočňuje v expanzných valcoch (8).

4. Motor s pretlakovým kyvadlovým expanzným piestom vyznačujúci sa tým, že kompresný pomer je zvýšený pomocou väčšieho zdvihového objemu kompresného valca (6) v porovnaní so zdvihovým objemom expanzných valcov (θ).

5. Motor s pretlakovým kyvadlovým expanzným piestom vyznačujúci sa tým, že zásobník vzduchu (10) je pripojený na priechodové potrubie (19).