SK152021U1

SK152021U1 - Piston valve engine with external heating

Info

Publication number: SK152021U1
Application number: SK15-2021U
Authority: SK
Inventors: Jozef Haľko; Karol Vasilko
Original assignee: Haľko Jozef Doc Ing Phd; Karol Vasilko
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2021-04-28
Also published as: SK9289Y1

Abstract

Piston valve engine with external heating is a two-stroke engine where operation is based on thermodynamics and the ventilation of the working gas (hereinafter "gas") inside the cylinder is provided by means of valves mounted in the piston of the engine cylinder. The motor with external heating of the cylinder operates within the framework of a closed thermodynamic circuit containing a cooling unit, resp. cooling and ventilation unit, in order to cool the gas flowing through the thermodynamic circuit back to the inlet of the engine cylinder. Here again, during each cyclically repeated working stroke, the gas, by heating from the inner walls of the cylinder, increases its temperature and volume and thus creates pressure and force on the piston performing the working stroke. The engine has higher efficiency and higher power and speed control.

Description

Oblasť technikyTechnical field

Technické riešenie nového piestovo ventilovaného motora s vonkajším ohrevom patrí do oblasti dvojtaktných motorov pracujúcich na termodynamickom princípe, s jedným pracovným a jedným nepracovným zdvihom, s vonkajším ohrevom valca z vonkajšieho zdroja tepla zabezpečujúceho ohrievame pracovnej plynnej látky (v ďalšom texte : „plyn“ ) vo valci motora počas jeho pracovnej činnosti. Nedeliteľnou súčasťou riešenia nového piestovo ventilovaného motora je aj riešenie funkčne nadväzného uzavretého termodynamického okruhu, ktorého je motor hlavnou súčasťou. Na vlastnosti, ktorý je nosným pracovným médiom, prúdiacom v uzavretom termodynamickom okruhu počas činnosti motora, vo všeobecnosti nie sú kladené vysoké požiadavky. Pre prácu motora môže byť ako plyn použitý tiež aj vzduch, alebo iná vhodná plynná látka s požadovanými stabilnými fýzikálnymi a chemickými vlastnosťami v rozsahu pracovných teplôt motora; najmä dobrej tepelnej rozťažnosti a chemickej neagresívnosti. Podstata pracovnej činnosti motora spočíva v tom, že tepelná energia ohriatého plynu vo valci, prijímaná od vnútornej steny z vonku ohrievaného valca, sa mení počas pracovného zdvihu motora na mechanickú prácu piesta, najčastejšie prenášanú cez kľukový mechanizmus na vonkajší pohon pripojených zariadení. Z tohto pohľadu pracuje ako Stirlingov motor. Vzhľadom na možnosti využitia rôznych ekologických zdrojov energie, prípadne tiež napr. odpadového tepla z rôznych druhov prevádzok pre zabezpečenie tepelnej energie na ohrev valca motora, pri prakticky jeho bezodpadovej prevádzke, je možné navrhované riešenie zaradiť k ekologickým strojným pohonom.The technical solution of the new piston-ventilated engine with external heating belongs to the area of two-stroke engines operating on the thermodynamic principle, with one working and one non-working stroke, with external heating of the cylinder from an external heat source providing heating of working gaseous substances (hereinafter: "gas") in cylinders of the engine during its operation. An integral part of the solution of the new piston-ventilated engine is also the solution of a functionally connected closed thermodynamic circuit, of which the engine is the main part. The properties, which are the carrier working medium flowing in a closed thermodynamic circuit during engine operation, are generally not subject to high requirements. Air or another suitable gaseous substance with the required stable physical and chemical properties in the range of engine operating temperatures may also be used as the gas for engine operation; in particular good thermal expansion and chemical non-aggressiveness. The essence of the engine's operation lies in the fact that the thermal energy of the heated gas in the cylinder, received from the inner wall from the outside of the heated cylinder, From this point of view, it works like a Stirling engine. Due to the possibility of using various ecological energy sources, or also e.g. waste heat from various types of operations to provide thermal energy for heating the engine cylinder, in virtually its waste-free operation, it is possible to classify the proposed solution to environmentally friendly mechanical drives.

Doterajší stav technikyPrior art

V súčasnosti nie je známe riešenie piestneho motora s vonkajším ohrevom pracovného valca pracujúceho v systéme uzavretého termodynamického okruhu v ktorom počas pracovnej činnosti motora v ustálenom režime stále prúdi plyn, ktorý je v motore ventilovaný cez teleso pohybujúceho sa piesta utesneného voči stene valca. Známe riešenia motorov s vonkajším ohrevom sú v súčasnosti najčastejšie riešené na princípe Stirlingového motora s uzavretým termodynamickým systémom. Tieto dvojtaktné motory sú, čo do cyklického spätného prúdenia plynu za účelom jeho ochladzovania v uzavretom termodynamickom systéme, principiálne riešené v podstate v dvoch variantných okruhoch riešenia:At present, there is no known solution for a piston engine with external heating of a working cylinder operating in a closed thermodynamic circuit system in which gas still flows in the engine during steady state operation through a body of a moving piston sealed against the cylinder wall. Known solutions for motors with external heating are currently most often solved on the principle of a Stirling engine with a closed thermodynamic system. These two-stroke engines are, in terms of cyclic gas backflow for the purpose of its cooling in a closed thermodynamic system, basically solved in basically in two variant circuits:

Prvý variantný okruh predstavuje okruh riešení motorov, pri ktorých ohriaty plyn, počas cyklicky opakujúceho sa pohybu piesta medzi dolnou a hornou úvraťou, vždy pri spätnom, nepracovnom pohybe piesta, prúdi vo valci cez obvodovú medzem medzi stenou valca a obvodom piesta z priestoru pod piestom nad piest kde je ochladzovaný a následne spätne pri pracovnom pohybe piesta prúdi už ako ochladený cez tú istú obvodovú medzeru z priestoru nad piestom do priestoru pod piest, kde je zase ohrievaný za účelom vykonania ďalšieho pracovného zdvihu. Motor tak okrem svojej hlavnej pracovnej činnosti vykonáva aj funkciu pumpy zabezpečujúcej pumpovanie ohriateho a ochladeného plynu z priestoru pod piestom do priestoru nad piest a naopak. Pri pumpovaní plynu cez obvodovú medzeru medzi piestom a valcom dochádza do určitej miery k zmiešavaniu ohriateho plynu s ochladeným plynom. Keďže účinnosť a výkon motorov pracujúcich na termodynamickom princípe závisí od dosahovania maximálnych tlakov na dno piesta počas jeho pracovného zdvihu, spôsobených rozpínavosťou pracovného plynu vo valci pri jeho ohriatí z teploty po ochladení ti na teplotu t₂, je zrejme, že pre dosiahnutie požadovaného teplotného rozdielu At = Í2 - h, pri tomto spôsobe výmeny ohriateho plynu za ochladený je potrebné priebežne dodávať viac tepelnej energie na ohrev valca motora ako v prípade, keby k zmiešavaniu nedochádzalo. Zároveň s tým, pri určovaní energetickej náročnosti a výkonu motora riešenom na tomto princípe, je nutné brať taktiež do úvahy tlakové straty počas jeho prevádzky vznikajúce vplyvom medzery medzi valcom a piestom. Vyššie uvedené aspekty rozhodujúcim spôsobom ovplyvňujú výslednú hodnotu účinnosti motora.The first variant circuit is an engine solution circuit in which the heated gas, during the cyclically repetitive movement of the piston between the lower and upper dead center, always during the return, non-working movement of the piston, flows in the cylinder through the circumferential boundary between the cylinder wall and the piston circumference. the piston where it is cooled and subsequently backwards during the working movement of the piston already flows as cooled through the same circumferential gap from the space above the piston to the space below the piston, where it is heated again in order to perform another working stroke. Thus, in addition to its main operating activity, the engine also performs the function of a pump ensuring the pumping of heated and cooled gas from the space under the piston to the space above the piston and vice versa. When pumping gas through the circumferential gap between the piston and the cylinder, the heated gas is mixed to some extent with the cooled gas. Since the efficiency and power of engines operating on the thermodynamic principle depend on reaching the maximum pressures on the bottom of the piston during its working stroke, caused by the expansion of the working gas in the cylinder when it is heated from the temperature after cooling ti to t ₂ , it is clear that to achieve the desired temperature difference At = Í2 - h, in this method of exchanging the heated gas for the cooled one, it is necessary to continuously supply more thermal energy to heat the engine cylinder than in the case if mixing did not take place. At the same time, when determining the energy intensity and power of the engine addressed on this principle, it is also necessary to take into account the pressure losses during its operation due to the gap between the cylinder and the piston. The above aspects have a decisive influence on the final value of the engine efficiency.

Druhý variantný okruh v súčasnosti predstavuje okmh riešení motorov s uzavretým termodynamickým systémom, pri ktorom piest motora, na rozdiel od 1. variantného okruhu riešenia, je utesnený vo vnútri valca v ktorom vykonáva svoju činnosť. Motor pracuje na analogickom princípe vonkajšieho ohrevu valca ako je to popísané v 1. variantnom riešení. Počas pracovnej činnosti motora je ohriatý plyn v tomto prípade riešenia po vykonaní pracovného zdvihu vytláčaný piestom motora v druhom spätnom nepracovnom takte späť z priestoru valca, pričom je zároveň kontinuálne nasávaný v danom objeme druhým pomocným synchrónne pracujúcim piestnym valcom s valcom motora cez spojovacie potmbie do svojho priestoru valca. Pri tomto nepracovnom spätnom zdvihu motora je tento ohriatý plyn pracovného valca ochladzovaný v chladiči, ktorý je buď súčasťou pomocného valca, alebo spájajúceho potmbia. Pri riešení týchto motorov je taktiež problematické zabezpečiť ochladenie celého odsávaného objemu ohriateho plynu z pracovného valca motora. Časť objemu ohriatého plynu nutne zostáva v časti spojovacieho potrubia medzi pracovným a pomocným valcom. Pri spätnom pohybe piesta pomocného valca, pri ktorom je ochladený plyn vytláčaný a zároveň nasávaný do pracovného valca pri pracovnom zdvihu piesta motora sa táto časť ohriatého objemu sa stále zmiešava s ochladeným plynom a tým úmerne zvyšuje teplotu ochladeného plynu vstupujúceho do pracovného valca.The second variant circuit currently represents the moment of the solution of engines with a closed thermodynamic system, in which the engine piston, in contrast to the 1st variant circuit of the solution, is sealed inside the cylinder in which it operates. The engine works on an analogous principle of external heating of the cylinder as described in the 1st variant solution. During the working operation of the engine, the heated gas in this case of the solution after the working stroke is pushed back by the engine piston in the second non-working stroke back from the cylinder space, while at the same time it is continuously sucked in a given volume by the second auxiliary piston cylinder with the engine cylinder cylinder space. During this non-working return stroke of the engine, this heated gas of the working cylinder is cooled in a cooler which is either part of the auxiliary cylinder or of the connecting seal. When solving these motors, it is also problematic to ensure cooling of the entire sucked volume of heated gas from the working cylinder of the motor. Part of the volume of heated gas necessarily remains in the part of the connecting pipe between the working and auxiliary cylinders. During the backward movement of the auxiliary cylinder piston, in which the cooled gas is expelled and at the same time sucked into the working cylinder during the working stroke of the engine piston, this part of the heated volume is constantly mixed with the cooled gas and thus increases the temperature of the cooled gas entering the working cylinder.

SK 15-2021 U1SK 15-2021 U1

Je potrebné zobrať tiež do úvahy, že v priestore hlavovej vôle pracovného valca, medzi piestom v hornej úvrati a dnom valca, stále ostáva príslušný objem ohriatého plynu po jeho vytlačení z valca, ktoiý taktiež úmerne zvyšuje teplotu ochladeného plynu pred pracovným zdvihom piesta. Keďže účinnosť a výkon týchto motorov, podobne ako v 1. variantnom okruhu, závisí na teplotnom rozdiele At = t₂ - ť, je potrebné tieto skutočnosti tykajúce sa energetickej náročnosti taktiež zobrať do úvahy pri ich návrhu. Eliminácia popísaných nevýhod v 1. a v 2. alternatíve je súčasťou navrhovaného riešenia úžitkového vzoru.It must also be taken into account that in the space of the head clearance of the working cylinder, between the piston at the top dead center and the bottom of the cylinder, there still remains a corresponding volume of heated gas after it is pushed out of the cylinder, which also increases the cooled gas temperature proportionally before the working stroke. Since the efficiency and performance of these motors, as in the 1st variant circuit, depend on the temperature difference At = t ₂ - ť, these energy-related facts must also be taken into account in their design. Elimination of the disadvantages described in the 1st and 2nd alternative is part of the proposed solution of the utility model.

Podstata technického riešeniaThe essence of the technical solution

Podstata technického riešenia spočíva v novom riešení motora s ventiláciou plynu cez teleso piesta motora počas jeho pracovnej činnosti a v nutnej súčinnosti s tým tiež v novom systémovom riešení uzavretého termodynamického okruhu motora tvoreného účelovým prepojením chladiacej časti okruhu s valcom motora v oblasti dna a jeho hornej časti. Valec motora je ohrievaný z vonku vonkajším zdrojom tepla. Navrhovaný motor je dvojtaktný s jedným pracovným zdvihom - 1. takt a jedným nepracovným, spätným zdvihom - 2. takt. Cieľom tohoto riešenia je snaha o zvýšenie účinnosti a zlepšenie technických vlastnosti motora oproti známym riešeniam motorov na termodynamickom princípe popísanom v kap. „Doterajší stav techniky“. Princíp riešenia ventilácie v motore spočíva v osadení ventilov do telesa piesta, utesneného voči stene valca, ktoré v synchrónnej činnosti s pracovnou činnosťou motora, odvodenej najčastejšie od otáčok kľukového hriadeľa, sú zatvorené počas celej doby pracovného zdvihu piesta z dôvodu uzavretia pracovného priestoru vo valci za účelom ohriatia a expanzie plynu a následne sú otvorené počas celej doby nepracovného, spätného zdvihu za účelom ventilácie ohriatého plynu z pracovného priestoru pod piestom do priestoru valca nad piest. Pracovnú činnosť v rámci celého systému termodynamického okmhu, ktorého je motor hlavnou súčasťou, je možné popísať nasledovne: Pred začiatkom pracovnej činnosti motora je potrebné ohriať valec motora z vonkajšieho zdroja tepla na požadovanú prevádzkovú teplotu t_v, ktorá musí byť vonkajším zdrojom udržiavaná na tejto hodnote počas celej doby prevádzky motora. Oblasť vonkajšieho ohrevu valca je obvykle limitovaná výškou pracovného zdvihu piesta motora. Vonkajší ohrev plášťa valca, z pohľadu požiadaviek na intenzitu ohrevu plynu vo valci počas pracovnej činnosti motora, je často spojený aj vonkajším ohrevom dna valca. Pred začiatkom pracovnej činnosti motora, a tým aj celého termodynamického okmhu, musí byť celý uzavretý potmbný termodynamický okruhový systém včítane priestoru valca pod piestom a nad piestom vyplnený plynom, najčastejšie s pracovným tlakom rovným atmosľérickému tlaku, resp. o iných parametroch, podľa konkrétnych požiadaviek kladených na činnosť celého navrhovaného termodynamického okmhu. Plyn prúdiaci termodynamickým okruhom počas celej doby činnosti motora nie je z termodynamického okruhu ventilovaný mimo neho a nie je ani doňho dodávaný.The essence of the technical solution lies in a new solution of the engine with gas ventilation through the piston body during its working activity and in the necessary cooperation with it also in a new system solution of a closed thermodynamic engine circuit formed by purposefully connecting the cooling part of the circuit with the engine cylinder in the bottom and its upper part. The engine cylinder is heated from the outside by an external heat source. The proposed engine is two-stroke with one working stroke - 1st stroke and one non-working, reverse stroke - 2nd stroke. The aim of this solution is to increase the efficiency and improve the technical properties of the engine compared to known engine solutions on the thermodynamic principle described in chap. "State of the art". The principle of the ventilation solution in the engine consists in fitting the valves to the piston body, sealed against the cylinder wall, which in synchronous operation with the engine operation, most often derived from crankshaft speed, are closed during the entire working stroke of the piston due to closing the working space in the cylinder. for the purpose of heating and expanding the gas and subsequently open throughout the non-working, return stroke in order to vent the heated gas from the working space under the piston to the space of the cylinder above the piston. The operation within the whole thermodynamic moment system, of which the engine is the main part, can be described as follows: Before starting the engine operation, the engine cylinder must be heated from an external heat source to the required operating temperature t _v , which must be maintained at this value by an external source. during the entire period of engine operation. The area of external heating of the cylinder is usually limited by the height of the working stroke of the engine piston. The external heating of the cylinder shell, from the point of view of the requirements for the heating intensity of the gas in the cylinder during the operation of the engine, is often also connected by the external heating of the cylinder bottom. Before starting the engine, and thus the entire thermodynamic circuit, the entire closed thermodynamic circuit system, including the cylinder space below the piston and above the piston, must be filled with gas, most often with a working pressure equal to atmospheric pressure, resp. on other parameters, according to specific requirements for the operation of the entire proposed thermodynamic momentum. The gas flowing through the thermodynamic circuit during the entire period of engine operation is not ventilated from the thermodynamic circuit and is not supplied to it.

Rozbeh motora je vykonávaný pomocou vonkajšieho zdroja pohybu, ktorým sa roztáča kľukový hriadeľ s ojnicou pohybujúcou piestom motora. Pri rozbehu motora počas jeho prvého pracovného zdvihu - 1. taktu, z hornej do dolnej úvrati, pri ktorom sú ventily v telese piesta zatvorené, sa plyn prítomný vo valci o počiatočnej teplote t, ohrieva od vnútorných stien valca motora na predpísanú teplotu t₂, čo zároveň spôsobuje jeho rozpíname a vyvodzovanie požadovaného tlaku na dno piesta. Počas následného dmhého nepracovného zdvihu piesta - 2. taktu ( ako už bolo vyššie uvedené) z dolnej do hornej úvrati, keď sú ventily v telese piesta otvorené, je ohriaty plyn ventilovaný z priestoru valca pod piestom do priestoru valca nad piest. Pri každom ďalšom pracovnom cykle motora, počas ktorého sa popísaný termodynamický proces vo valci opakuje, je ohriatý plyn nachádzajúci sa nad piestom vždy opačnou stranou piesta nútene vytláčaný, resp. pumpovaný do otvoreného hrdla potrubia termodynamického okruhu na nútenú cirkuláciu cez jeho chladiaci systém, pri ktorom sa ochladí na teplotu ti, z ktorého ďalej kontinuálne prúdi späť pod piest do konštrukčne zvolenej oblasti dna valca motora, práve vykonávajúceho pracovný zdvih. Čiže pri každej dráhe piesta z hornej do dolnej úvrate - 1. takt, piest súčasne vykonáva dve činnosti: hlavnú pracovnú činnosť spočívajúcu v prenášam pohybu a axiálnej sily piesta na kľukový hriadeľ, a činnosť vytláčania, resp. pumpovania ohriatého plynu z priestoru valca nad piestom do potrubného systému termodynamického okruhu.The engine is started by means of an external source of motion which rotates the crankshaft with the connecting rod moving the engine piston. When the engine is started during its first working stroke - 1st stroke, from the top to the bottom deadline, at which the valves in the piston body are closed, the gas present in the cylinder of initial temperature t is heated from the inner walls of the engine cylinder to the prescribed temperature t ₂ , which also causes it to expand and derive the required pressure to the bottom of the piston. During the subsequent long non-working stroke of the piston - 2nd stroke (as mentioned above) from bottom to top dead center, when the valves in the piston body are open, the heated gas is ventilated from the cylinder space below the piston to the cylinder space above the piston. During each further operating cycle of the engine, during which the described thermodynamic process in the cylinder is repeated, the heated gas located above the piston is always forced out by the opposite side of the piston, resp. pumped into the open neck of the thermodynamic circuit pipe for forced circulation through its cooling system, during which it is cooled to a temperature ti, from which it continuously flows back under the piston into a structurally selected area of the bottom of the engine cylinder currently performing the working stroke. Thus, for each path of the piston from the top to the bottom dead center - 1st stroke, the piston simultaneously performs two activities: the main work activity consisting in transmitting the movement and axial force of the piston to the crankshaft, and the action of extrusion, resp. pumping heated gas from the cylinder space above the piston to the thermodynamic circuit piping system.

Na ovládame ventilov môžu byť aplikované rôzne technické riešenia. Predpokladané najčastejšie riešenie je priamy spôsob ovládania, ktoré môže byť realizované napr. pomocou vačkového mechanizmu s vačkami umiestnenými vhodne na kľukovom hriadeli, ktorých geometrický tvar a rozmery musia v tomto prípade spĺňať požiadavku na správnu funkciu ventilácie pri rešpektovaní zdvihu piesta v pracovnom cykle motora. Princíp riešenia piestnej ventilácie dovoľuje vhodne aplikovať ventilovú techniku riešenú aj na iných technicko - technologických princípoch, ovládanú buď priamo alebo nepriamo v závislosti na otáčam kľukového hriadeľa resp. pohybe piesta. Nutne však musí byť splnená požiadavka ich spoľahlivej funkcie a činnosti v synchronizácii s činnosťou motora.Various technical solutions can be applied to the valve control. The expected most common solution is a direct method of control, which can be implemented e.g. by means of a cam mechanism with cams suitably located on the crankshaft, the geometric shape and dimensions of which must in this case satisfy the requirement for the correct function of the ventilation while respecting the stroke of the piston in the engine operating cycle. The principle of the solution of piston ventilation allows to suitably apply the valve technique solved on other technical - technological principles, controlled either directly or indirectly depending on the rotation of the crankshaft resp. piston movement. However, the requirement of their reliable function and operation in synchronization with the operation of the engine must be met.

Chladenie a prúdenie plynu v termodynamickom okruhu, z pohľadu požiadavky postačujúcej technickej úrovne riešenia, je principiálne navrhnuté v dvoch alternatívach.Cooling and gas flow in a thermodynamic circuit, from the point of view of the requirement of a sufficient technical level of the solution, is in principle designed in two alternatives.

SK 15-2021 U1SK 15-2021 U1

Prvá alternatíva predstavuje riešenie, pri ktorej je do chladiacej časti termodynamickom okruhu zaradená iba chladiace jednotka, v ktorej je cez ňu prúdiaci plyn ochladzovaný na teplotu ti požadovanú pre vstup do valca motora. Určitou nevýhodou tohto riešenia je zmiešavame zbytkového objemu ohriatého plynu z oblasti hlavovej vôle pracovného valca a časti vstupného hrdla chladiaceho okruhu do valca po každom nepracovnom zdvihu s pritekajúcim ochladeným plynom do priestoru valca pod piest. Oproti riešeniam motorov uvedených v 1. variantnom okruhu v kap. „Doterajší stav techniky“, má toto riešenie výhodu v práci motora s utesneným piestom a v relatívne v menšom percente objemu zmiešavania sa ohriatého a ochladeného plynu počas pracovného zdvihu. Oproti riešeniam v 2. variantnom okruhu motorov uvedených vo vyššie uvedenej kapitole, má toto riešenie hlavnú výhodu najmä v tom, že pre činnosť motora odpadá potreba ďalšieho piestneho pomocného valca. Druhá alternatíva riešenia termodynamického okruhu má chladiacu jednotku v smere prúdenia plynu prepojenú s vhodne zvolenou resp. navrhnutou ventilačnou jednotkou, vháňajúcou ochladený plyn cez potrubie do valca motora. Pri tomto riešení nedochádza k zmiešavaniu teplého a ochladeného plynu pred vstupom do valca, nakoľko ventilačnou jednotkou stále vháňaný plyn do valca vypláchne pri spätnom pohybe piesta (s otvorenými ventilmi) všetok ohriatý plyn z pracovného priestoru valca nad piest.The first alternative is a solution in which only a cooling unit is included in the cooling part of the thermodynamic circuit, in which the gas flowing through it is cooled to the temperature ti required to enter the engine cylinder. A certain disadvantage of this solution is the mixing of the residual volume of heated gas from the head clearance area of the working cylinder and part of the cooling circuit inlet to the cylinder after each non-working stroke with the cooled gas flowing into the cylinder space under the piston. In contrast to the engine solutions listed in the 1st variant circuit in chap. "Prior Art", this solution has the advantage of operating the engine with a sealed piston and in a relatively smaller percentage of the volume of mixing of the heated and cooled gas during the working stroke. In contrast to the solutions in the 2nd variant circuit of the engines mentioned in the above-mentioned chapter, this solution has the main advantage, in particular in that the need for an additional piston auxiliary cylinder is eliminated for the operation of the engine. The second alternative solution of the thermodynamic circuit has a cooling unit in the direction of gas flow connected to a suitably selected resp. designed ventilation unit, blowing cooled gas through the pipe into the engine cylinder. With this solution, no hot and cooled gas is mixed before entering the cylinder, since the gas constantly injected into the cylinder by the ventilation unit flushes all the heated gas from the working space of the cylinder above the piston when the piston moves backwards (with the valves open).

Ak bude do termodynamického okruhu zaradená ventilačná jednotka výkonovo ovládateľná, potom je reálny predpoklad, že jej prostredníctvom bude možné optimalizovať ako aj regulovať lýchlosť a objem prúdenia pracovného plynu, a tým zároveň regulovať otáčky a výkon motora v danom rozsahu. Čo oproti súčasným motorom s konštantnými, resp. s iba obtiažne regulovateľnými otáčkami a výkonom, popísaným v predchádzajúcej kapitole, predstavuje zvýhodnené riešenie.If a power-controllable ventilation unit is included in the thermodynamic circuit, then there is a realistic assumption that it will be possible to optimize and regulate the speed and volume of the working gas flow, and thus regulate engine speed and power in a given range. What compared to current engines with constant, respectively. with only the difficult-to-regulate speed and power described in the previous chapter, represents an advantageous solution.

V prípade osobitných požiadaviek na optimalizáciu, resp. reguláciu prúdenia plynu v termodynamickom okruhu je možné, tak v prvej ako aj v druhej alternatíve, uvažovať tiež napr. aj o vhodnom zaradení účelovo navrhnutého vzdušníka pred alebo za chladiacu jednotku z požiadavkou, alebo bez požiadavky, napr. na zvyšovanie tlaku prúdiaceho pracovného plynu. Prípadne je možné aplikovať aj iné vhodné pneumatické prvky do termodynamického okruhu.In the case of special requirements for optimization, resp. regulation of the gas flow in the thermodynamic circuit can be considered, both in the first and in the second alternative, also e.g. also about the suitable placement of the purposefully designed air vent in front of or behind the refrigeration unit with or without requirement, e.g. to increase the pressure of the flowing working gas. Alternatively, other suitable pneumatic elements can be applied to the thermodynamic circuit.

Prehľad obrázkov na výkresochOverview of figures in the drawings

Piestovo ventilovaný motor s vonkajším ohrevom je schematický znázornený v pohľade vo zvislom reze na obr. č. 1 v 1 takte svojej činnosti a na obr. č. 2 v druhom takte svojej činnosti.An externally heated reciprocating piston engine is schematically shown in a vertical sectional view in FIG. no. 1 in 1 cycle of its operation and in FIG. no. 2 in the second measure of his activity.

Príklady uskutočneniaExamples of embodiments

Príkladom piestovo ventilovaného motora s vonkajším ohrevom (10) je motor s ventiláciou umiestnenou v telese piesta (2), pracujúceho v uzavretom termodynamickom okruhu tvoreného jeho chladiacou časťou prepojenou v oblasti dna a vrchnej časti s valcom (1) motora, obsahujúcom plyn s tlakom rovným atmosľérickému tlaku, ktorým môže byť napr. tiež aj vzduch, alebo iný plyn s vhodnými fýzikálnymi a chemickými vlastnosťami najmä čo do ohrevu, rozpínavosti, stálosti počas pracovného procesu a chemickej neagresivity. Motor pozostáva z valca (1) obsahujúceho piest (2) pohybujúceho sa s v dvojtaktnom cykle s jedným pracovným a jedným nepracovným zdvihom utesneného voči stene valca osadeného dvoma ventilmi (3) v telese piesta ovládanými dvoma vačkami (9) umiestnenými na kľukovom hriadeli (8). Valec (1) motora je vo svojej hornej a dolnej časti pripojený na otvorený potrubný termodynamický okruh obsahujúci chladiaci systém pozostávajúci pri prvej alternatíve (4) z chladiacej jednotky (6) a pri druhej alternatíve (5) z chladiacej jednotky (6) a ventilačnej jednotky (7) optimalizujúcej rýchlosť a objem prúdiaceho plynu za jednotku času v termodynamickom okruhu. Valec (1) motora je pred začatím a následne počas celej pracovnej činnosti ohrievaný v oblasti dna a plášťa do výšky pracovného zdvihu piesta vonkajším ohrevom (10) na požadovanú teplotu t_v. Pri pracovnej činnosti motora počas jeho prvého taktu, pri ktorom sú ventily (3) na pieste počas celej doby zdvihu zatvorené, je ochladený plyn o teplote ti prúdiaci z termodynamického okruhu pod pohybujúci sa piest (2) z hornej (HU) do dolnej (DU) úvrati ohriatý na teplotu t₂. Počas tohto ohrevu rozpínajúci sa plyn zväčšuje svoj objem a tlak prenášajúci sa na dno piesta (2), ktorý výslednú axiálnu silu a pohyb prenáša cez ojnicu (11) kľukového mechanizmu na krútiaci moment a otáčky kľukového hriadeľa (8), čím je zároveň určený výkon motora. Pri následnom spätnom pohybe piesta (2) počas druhého taktu, pri ktorom sú ventily (3) na pieste (2) prostredníctvom vačiek (9) na kľukovom hriadeli (8) po celú dobu spätného zdvihu piesta (2) otvorené, je ohriatý plyn z priestoru valca (1) pod piestom (2) ventilovaný cez otvory v pieste (2) do priestoru valca (1) nad piest (2). Pri cyklicky opakujúcom sa ďalšom pracovnom zdvihu, piest (2) súčasne pri svojej hlavnej pracovnej činnosti svojou opačnou stranou vykonáva výtlak, resp. pumpovanie ohriatého plynu z priestoru valca (1) nad piestom (2) do potrubného hrdla na jeho nútenú cirkuláciu termodynamickým okruhom za účelom jeho priebežného ochladzovania na teplotu ti v jeho chladiacej jednotke (6) a jeho spätného prúdenia späť na vstup do valca (1) motora pri prvej alternatíve riešenia; resp. pri druhej alternatíve riešenia,An example of an externally heated reciprocating piston engine (10) is a vented engine located in a piston body (2) operating in a closed thermodynamic circuit formed by its cooling part connected in the bottom and top area to an engine cylinder (1) containing gas at a pressure equal to atmospheric pressure, which can be e.g. also air or another gas with suitable physical and chemical properties, in particular in terms of heating, expandability, stability during the working process and chemical non-aggression. The engine consists of a cylinder (1) comprising a piston (2) moving in a two-stroke cycle with one working and one non-working stroke sealed against the cylinder wall fitted with two valves (3) in the piston body controlled by two cams (9) located on the crankshaft (8) . The cylinder (1) of the engine is connected in its upper and lower part to an open pipe thermodynamic circuit containing a cooling system consisting in the first alternative (4) of a cooling unit (6) and in the second alternative (5) of a cooling unit (6) and a ventilation unit. (7) optimizing the velocity and volume of the flowing gas per unit time in the thermodynamic circuit. The cylinder (1) of the engine is heated in the area of the bottom and the casing to the height of the working stroke of the piston by external heating (10) to the required temperature t _v before the start and subsequently during the whole working activity. During the operation of the engine during its first stroke, during which the valves (3) on the piston are closed during the whole stroke, a cooled gas of temperature ti flowing from the thermodynamic circuit under the moving piston (2) from the upper (HU) to the lower (DU) is cooled. ) dead center heated to temperature t ₂ . During this heating, the expanding gas increases its volume and the pressure transmitted to the bottom of the piston (2), which transmits the resulting axial force and movement through the connecting rod (11) of the crank mechanism to the torque and speed of the crankshaft (8). engine. During the subsequent return movement of the piston (2) during the second stroke, during which the valves (3) on the piston (2) are open by means of cams (9) on the crankshaft (8) for the entire time of the return stroke of the piston (2). cylinder space (1) under the piston (2) ventilated through holes in the piston (2) into the cylinder space (1) above the piston (2). In the case of a cyclically repeated further working stroke, the piston (2) simultaneously during its main working activity with its opposite side performs a discharge, resp. pumping the heated gas from the space of the cylinder (1) above the piston (2) into the pipe neck for its forced circulation through the thermodynamic circuit in order to continuously cool it to the temperature ti in its cooling unit (6) and return it back to the cylinder inlet (1) engine in the first alternative solution; resp. in the second alternative solution,

SK 15-2021 U1 je prúdiaci ohriaty plyn ochladzovaný v chladiacej jednotke (6) prepojenej s výkonovo ovládateľnou ventilačnou jednotkou (7) s možnosťou optimalizácie a regulácie lýchlosti prúdenia a prietokového objemu plynu v potrubí pri jeho spätnom prúdení na vstup do valca (1) motora, čím zároveň bude možné v tejto alternatíve v určenom rozmedzí regulovať tiež otáčky a výkon motora. Rozbeh motora sa vykonáva po príprave celého termodynamického okruhu podľa vyššie uvedeného popisu, roztáčaním kľukového hriadeľa (8) spojeného ojnicou (11) s piestom (2) motora z externého pohybového zdroja, až po nábeh na samostatnú činnosť.SK 15-2021 U1 is a flowing heated gas cooled in a cooling unit (6) connected to a power controllable ventilation unit (7) with the possibility of optimizing and regulating the flow rate and flow volume of gas in the pipeline during its backflow to the engine cylinder (1) , which will also make it possible to regulate the engine speed and power in this alternative within a specified range. The engine is started after preparation of the whole thermodynamic circuit as described above, by turning the crankshaft (8) connected by the connecting rod (11) to the engine piston (2) from an external motion source, until the start-up for independent operation.

Priemyselná využiteľnosťIndustrial applicability

Navrhované riešenie nového piestovo ventilovaného motora s vonkajším ohrevom je možné použiť na pohon rôznych strojov a zariadení, kde sú požiadavky na tichší a spoľahlivý chod motora bez väčších vibrácií, jednoduchosť konštrukcie, dlhá životnosť, nízke požiadavky na údržbu, a popri tom tiež tam, kde sa nejaví ako nevýhoda jeho robustnejšia konštrukcia. Vzhľadom na jeho prakticky bez emisnú a bez odpadovú prevádzku pri možnosti využívania na ohrev motora pre svoju činnosť tiež napr. odpadové teplo, resp. rôzne prírodné (napr. solárna energia a pod.) a obnoviteľné zdroje energie, je možné navrhovaný motor zaradiť k ekologickým pohonom. Jeho výhodou je však tiež to, že na pohon motora je možné použiť aj ďalšie dmhy energií a palív ako napríklad: elektrická energia, tekuté a plynné palivo, zemný plyn, tiež tuhé palivo, biomasa, bioplyn a pod. V porovnaní s riešeniami motorov uvádzaných v kap. „Doterajší stav techniky“ je možno reálne predpokladať, že u navrhovaných motorov bude možné dosahovať vyššie hodnoty účinnosti s lepšou reguláciou výkonu a otáčok. Aj keď konštrukciou motora nie je limitovaná horná hranica výkonu, je predpoklad, že v bežných prevádzkach sa budú používať motory o výkone v rozsahu do cca 25 kW.The proposed solution of the new piston-ventilated engine with external heating can be used to drive various machines and equipment, where there are requirements for quieter and reliable engine operation without major vibrations, simplicity of construction, long life, low maintenance requirements, and also where does not appear to be a disadvantage of its more robust construction. Due to its virtually emission-free and waste-free operation with the possibility of use to heat the engine for its activities also e.g. waste heat, resp. various natural (eg solar energy, etc.) and renewable energy sources, it is possible to classify the proposed engine as ecological drives. However, its advantage is also that other types of energy and fuels can be used to drive the engine, such as: electricity, liquid and gaseous fuel, natural gas, also solid fuel, biomass, biogas and the like. In comparison with the solutions of the engines mentioned in chap. "Prior art" it can be realistically assumed that it will be possible to achieve higher efficiency values with better power and speed control with the proposed engines. Although the design of the engine does not limit the upper power limit, it is assumed that in normal operations, engines with a power of up to about 25 kW will be used.

Claims

An externally heated reciprocating engine, characterized in that it consists of an engine cylinder (1) and a cooling part of a thermodynamic circuit for cooling the heated gas displaced by the piston (2) from an engine cylinder (1) connected in the bottom and top region. to the cylinder (1) of the engine, connected to an external heat source (10) in which the piston (2) is movably mounted, sealed against the cylinder wall and fitted with valves (3) in the piston body (2) for performing a working stroke when the valves are (3) in the piston body (2) closed and of non-working stroke, when the valves (3) in the piston body (2) are open for forced ventilation of the heated gas through the piston (2), cams (9) being located on the crankshaft (8) ) on the actuating valves (3) and 10 the piston (2) is connected to the connecting rod (11) for transmitting the linear movement of the piston (2) to the forced rotational movement of the crankshaft (8), the engine being located in a closed thermodynamic circuit filled with chemically stable non-aggressive gas.

Reciprocating ventilated external heating engine according to claim 1, characterized in that the cooling part of the thermodynamic circuit comprises a cooling unit (6), or comprises a cooling unit 15 to 6 (6) as well as a ventilation unit (7).

2 drawings