SK52021A3 - Piestovo ventilovaný motor s vonkajším ohrevom - Google Patents

Abstract

Piestovo ventilovaný motor s vonkajším ohrevom je dvojtaktný motor pracujúci na báze termodynamického princípu, pričom ventilácia pracovného plynu (ďalej plyn) vnútri valca je vykonávaná prostredníctvom ventilov osadených v pieste valca motora. Motor s vonkajším ohrevom valca pracuje v rámci, na ten účel vytvoreného, uzavretého termodynamického okruhu obsahujúceho chladiacu jednotku, resp. chladiacu a ventilačnú jednotku na účely ochladzovania plynu prúdiaceho termodynamickým okruhom späť na vstup do valca motora. Tu opätovne počas každého cyklicky sa opakujúceho pracovného zdvihu plyn ohrevom od vnútorných stien valca zväčšuje svoju teplotu a objem, a tým vytvára tlak a silu na piest konajúci pracovný zdvih. Motor má vyššiu účinnosť a vyššiu možnosť regulácie výkonu a otáčok.

Description

Oblasť techniky

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 ohrievanie 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 fyzikálnymi 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 ohriateho 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, pripadne 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.

Doterajší stav techniky

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:

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 medzeru 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 zrejmé, že pre dosiahnutie požadovaného teplotného rozdielu Δΐ = t₂ - ti, 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.

Druhý variantný okruh v súčasnosti predstavuje okruh riešení motorov s uzavretým termodynamickým systémom, pri ktorom piest motora, na rozdiel od 1. variantného okruhu riešenia, je utesnený vnútri valca, v ktorom vykonáva svoju činnosť. Motor pracuje na analogickom princípe vonkajšieho ohrevu valca ako je to opísané v 1. variantnom riešení. Počas pracovnej činnosti motora je ohriaty 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 potrubie do svojho priestoru valca. Pri tomto nepracovnom spätnom zdvihu motora je tento ohriaty plyn z pracovného valca ochladzovaný v chladiči, ktorý je buď súčasťou pomocného valca, alebo spájajúceho potrubia. Pri riešení týchto motorov je taktiež problematické zabezpečiť ochladenie celého odsávaného objemu ohriateho plynu z pracovného valca motora. Časť objemu ohriateho plynu nutne zostáva v časti spojovacieho potrubia medzi pracovným a

SK 5-2021 A3 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 ohriateho objemu sa stále zmiešava s ochladeným plynom, a tým úmerne zvyšuje teplotu ochladeného plynu vstupujúceho do pracovného valca. 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 ohriateho plynu po jeho vytlačení z valca, ktorý taktiež úmerne zvyšuje teplotu ochladeného plynu pred pracovným zdvihom piesta. Kedže účinnosť a výkon týchto motorov, podobne ako v 1. variantnom okruhu, závisí na teplotnom rozdiele Δΐ = t₂ - ti, je potrebné tieto skutočnosti týkajúce sa energetickej náročnosti taktiež zobrať do úvahy pri ich návrhu. Eliminácia opísaných nevýhod v 1. a v 2. alternatíve je súčasťou navrhovaného riešenia patentu.

Podstata technického riešenia

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 ohlasu 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 opísanom 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 ohriateho plynu z pracovného priestoru pod piestom do priestoru valca nad piest. Pracovnú činnosť v rámci celého systému termodynamického okruhu, ktorého je motor hlavnou súčasťou, je možné opísať 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 okruhu, musí byť celý uzavretý potrubný termodynamický okruhový systém včítane priestoru valca pod piestom a nad piestom vyplnený plynom, najčastejšie s pracovným tlakom rovným atmosférickému tlaku, resp. o iných parametroch, podľa konkrétnych požiadaviek kladených na činnosť celého navrhovaného termodynamického okruhu. Plyn prúdiaci termodynamickým okruhom počas celej doby činnosti motora nie je z termodynamického okruhu ventilovaný mimo neho a nie je ani doňho dodávaný.

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 rozpínanie a vyvodzovanie požadovaného tlaku na dno piesta. Počas následného druhého 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 opísaný termodynamický proces vo valci opakuje, je ohriaty 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 prenášaní pohybu a axiálnej sily piesta na kľukový hriadeľ, a činnosť vytláčania, resp. pumpovania ohriateho plynu z priestoru valca nad piestom do potrubného systému termodynamického okruhu.

Na ovládanie 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 geometricky tvar a rozmery musia v tomto prípade spínať požiadavku na správnu funkciu ventilácie pri rešpektovaní zdvihu piesta v pracovnom cykle motora.

SK 5-2021 A3

Princíp riešenia piestnej ventilácie dovoľuje vhodne aplikovať ventilovú techniku riešenú aj na iných technicko -technologických princípoch, ovládanú buďpriamo alebo nepriamo v závislosti na otáčaní kľukového hriadeľa resp. pohybe piesta. Nutne však musí byť splnená požiadavka ich spoľahlivej funkcie a činnosti v synchronizácií s činnosťou motora.

Chladenie a prúdenie plynu v termodynamickom okruhu pohľadu požiadavky postačujúcej technickej úrovne riešenia, je principiálne navrhnuté v dvoch alternatívach.

Prvá alternatíva predstavuje riešenie, pri ktorej je do chladiacej časti termodynamickom okruhu zaradená iba chladiaca jednotka, v ktorej je cez ňu prúdiaci plyn ochladzovaný na teplotu ti požadovanú pre vstup do valca motora. Určitou nevýhodou tohto riešenia je zmiešavanie zbytkového objemu ohriateho 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 ohriaty plyn z pracovného priestoru valca nad piest.

Ak bude do termodynamického okruhu zaradená ventilačná jednotka výkonovo ovládateľná, potom je reálny predpoklad, že jej prostredníctvom bude možné optimalizovať ako aj regulovať rýchlosť 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, opísaným v predchádzajúcej kapitole, predstavuje zvýhodnené riešenie.

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 s požiadavkou, alebo bez požiadavky, napr. na zvyšovanie tlaku prúdiaceho pracovného plynu. Prípadne je možné aplikovať aj iné vhodné pneumatické prvky do termodynamického okruhu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

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 je zobrazený v druhom takte svojej činnosti.

Príklady uskutočnenia vynálezu

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 atmosférickému tlaku, ktorým môže byť napr. tiež aj vzduch, alebo iný plyn s vhodnými fyzikálnymi 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 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 ohriaty na teplotu t₂. Počas tohto ohrevu

SK 5-2021 A3 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 ohriaty 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 ohriateho 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, je prúdiaci ohriaty plyn ochladzovaný v chladiacej jednotke (6) prepojenej s výkonovo ovládateľnou ventilačnou jednotkou (7) s možnosťou optimalizácie a regulácie rýchlosti 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 opisu, roztáčaním kľukového hriadeľa (8) spojeného ojnicou (11) s piestom (2) motora z externého pohybového zdroja, až po nábeh na samostatnú činnosť.

Priemyselná využiteľnosť

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 praktický 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 druhy 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.

Claims (1)

1. Piestovo ventilovaný motor s vonkajším ohrevom, vyznačujúci sa tým, že pracuje v uzavretom termodynamickom okruhu, naplneného chemicky stálym neagresívnym plynom, pozostávajúce5 ho z valca motora (1) a z chladiacej časti termodynamického okruhu (4), alebo z chladiacej časti termodynamického okruhu (5), pripojeného v oblasti dna a vrchnej časti k valcu motora (1), ohrievaného z vonkajšieho zdroja tepla (10), v ktorom sa pohybuje s pracovným a nepracovným zdvihom piest (2) utesnený voči stene valca, osadený ventilmi (3) v telese piesta (2), ovládanými vačkami (9) umiestnenými na kľukovom hriadeli (8), pričom počas pracovného zdvihu piesta (2) sú ventily (3) v telese piesta (2) zatvorené a počas 10 nepracovného zdvihu piesta (2) sú ventily (3) v telese piesta (2) otvorené pre nútenú ventiláciu ohriateho plynu cez piest (2) a kde zároveň lineárny pohyb piesta (2) spojeného s ojnicou (11) je prenášaný na nútený rotačný pohyb kľukového hriadeľa (8); pričom zároveň ohriaty plyn vytlačovaný piestom z valca motora (1) na nútenú cirkuláciu chladiacou časťou termodynamického okruhu je ochladzovaný: a.) v chladiacej časti termodynamického okruhu (4) obsahujúcom chladiacu jednotku (6), alebo b.) v chladiacej časti 15 termodynamického okruhu (5) obsahujúcom chladiacu jednotku (6) a ventilačnú jednotku (7).