SK7026Y1 - Štvortaktné piestové spaľovacie motory a ich kombinácie využívajúce energiu paliva aj energiu výfukových plynov - Google Patents

Abstract

Štvortaktné piestové spaľovacie motory v modifikácii zážihového alebo vznetového motora efektívne využívajú novú koncepciu dvoch druhov dvojtaktných preplňovaných pracovných procesov, ktoré efektívne využívajú dva druhy energií, a to energiu paliva benzínu, nafty, bionafty zemného plynu a aj vodíka a tepelnú energiu horúcich výfukových plynov.

Description

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka štvortaktných piestových spaľovacích motorov a ich kombinácií v modifikácii zážihového alebo vznetového motora, ktoré sú využívané ako pohonné agregáty predovšetkým v pohonných systémoch dopravných prostriedkov, cestnej železničnej aj vodnej dopravy, cestných, stavebných, lesných a poľnohospodárskych strojov a traktorov, v stacionárnych pohonných systémoch ako pohonné agregáty na výrobu elektrickej energie, na pohon vodných čerpadiel, kompresorov a hydrogenerátorov.

Doterajší stav techniky

Piestové spaľovacie motory rozdeľujeme podľa používaného druhu paliva na: benzínové, ktoré využívajú energiu benzínu jeho spaľovaním a aj palív s obdobnými vlastnosťami ako zemný plyn, propán-bután a ďalšie. Zapaľovanie zmesi paliva a vzduchu je realizované elektrickou iskrou zapaľovacej sviečky; naftové, ktoré využívajú energiu nafty jej spaľovaním a aj palív s obdobnými vlastnosťami, ako je bionafta, pod. Na zapaľovanie zmesi paliva a vzduchu sa využíva teplo získané kompresiou vzduchu privedeného do valca.

Podľa spôsobu pracovných cyklov sú štvortaktné, pracovný cyklus trvá dve otáčky kľukového hriadeľa motora, alebo dvojtaktné, pracovný cyklus trvá jednu otáčku, Podľa usporiadania valcov sú radové, dvojradové, v tvare V, ležaté, hviezdicové. Podľa veľkosti otáčok sú rýchlobežné v rozsahu otáčok od 3000 až 17000 otáčok za minútu, pomalobežné v rozsahu otáčok od 750 do 1000 otáčok za minútu, veľmi pomalobežné lodné a veľkých výkonov v rozsahu otáčok 70 až 120 otáčok za minútu. Piestové spaľovacie motory sa využívajú ako pohonné agregáty predovšetkým v dopravných prostriedkoch cestnej, železničnej, vodnej aj leteckej doprave, v stavebných a cestných strojoch, v poľnohospodárskych strojoch, v stacionárnych pohonných systémoch ako pohonné agregáty na výrobu elektrickej energie, na pohon vodných čerpadiel, kompresorov atď.

Značnou nevýhodou piestových spaľovacích motorov je nízka účinnosť, pri tých najmodernejších dosahuje hranicu len 45 % a je dôsledkom vysokých strát tepelnej energie a mechanických strát. Podmienky pre efektívny spaľovací proces sú pre vyrábané piestové spaľovacie motory zabezpečené len vo veľmi malej oblasti pracovných otáčok, čo je zrejmé s grafov špecifickej spotreby benzínových a aj naftových motorov automobilov A 160 s benzínovým motorom a A 170 CDI s naftovým motorom, uvedených na obrázku číslo 1.

Rozhodujúce nedostatky piestových spaľovacích motorov vyplývajú zo zastaranej koncepcie, tá je príčinou aj nižšej účinnosti, neefektívnym využívaním energie paliva, keď je v prevádzke vyššia spotreba paliva pri nižšom zaťažení a nižšia spotreba paliva je pri vyššom zaťažení, vysoká produkcia škodlivých emisií.

Podstata technického riešenia

Štvortaktné piestové spaľovacie motory zážihové alebo vznetové motory využívajú energiu paliva v štvortaktných cykloch, využívajú energiu výfukových plynov v štvortaktných a aj dvojtaktných cykloch, umožňujú využívať nové technické riešenia, ktoré pri nižšom zaťažení motora využívajú energiu paliva v štvortaktných cykloch a energiu výfukových plynov, využívajú elektronicky riadené moduly a systémy ovládania ventilov, vstrekovačov paliva, vstrekovačov do expanznej komory a výfukových prívierok, ktoré umožňujú realizovať štvortaktné aj dvojtaktné pracovné cykly.

Komplexný elektronický riadiaci systém a elektronicky riadené moduly vstrekovačov paliva, moduly ovládania ventilov, moduly vstrekovačov do expanznej komory a moduly výfukových prívierok umožňujú realizovať štvortaktné aj dvojtaktné pracovné procesy štyrmi technológiami pracovných cyklov: prvá technológia pracovných cyklov využíva vo všetkých valcoch len energiu paliva v štvortaktných cykloch tak ako súčasné štvortaktné motory; druhá technológia pracovných cyklov využíva vo všetkých valcoch energiu paliva v prvom štvortaktnom cykle, v druhom štvortaktnom pracovnom cykle energiu horúcich výfukových plynov; tretia technológia pracovných cyklov využíva v dvoch krajných valcoch energiu paliva v štvortaktnom cykle a stredných valcoch, využíva efektívne energiu horúcich výfukových plynov v štvortaktnom cykle; štvrtá technológia pracovných cyklov využíva v krajných valcoch energiu paliva v štvortaktnom cykle a v stredných valcoch, využíva efektívne energiu horúcich výfukových plynov v dvojtaktnom cykle.

Rozhodujúce prínosy novej koncepcie dvoch druhov pracovných procesov:

Komplexný elektronický riadiaci systém štvortaktného piestového spaľovacieho motora, využívajúceho energiu paliva aj energiu výfukových plynov pre spriahnuté on-line riadenie, priebežné sledovanie a vyhodnocovanie okamžitého stavu procesu, údajov potrebných na riadenie a efektívnu realizáciu dvoch druhov pracovných procesov, ktoré efektívne využívajú dva druhy energií v štyroch technológiách pracovných cyklov vytvára podmienky na:

SK 7026 Υ1 výrazne efektívnejšie využívanie energie paliva aj energie výfukových plynov, výrazné zníženie spotreby paliva, výrazné zníženie produkcie škodlivých emisií, ktoré produkuje len preplňovaný pracovný proces, ktorý využíva energiu paliva.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obrázok 1: Zobrazuje špecifickú spotrebu paliva spaľovacích motorov.

Obrázok 2: Schéma štvortaktného piestového spaľovacieho motora, ktorý v dvoch druhoch pracovných procesov využíva energiu paliva aj energiu výfukových plynov.

Obrázok 3: Schéma elektronického riadiaceho systému štvortaktného piestového spaľovacieho motora, ktorý efektívne využíva dva druhy energií.

Obrázok 4: Zobrazuje vyhotovenie tesniaceho krúžku piesta expanznej komory.

Príklady uskutočnenia

Na obrázku číslo 2 je schéma štvortaktného piestového spaľovacieho motora, ktorý efektívne využíva dva druhy energií, a to energie paliva aj energiu výfukových plynov v modifikácii zážihového alebo vznetového motora. Má vytvorené podmienky na efektívnu realizáciu novej koncepcie dvoch druhov pracovných procesov s využívaním dvoch druhov energií, energie paliva a energie výfukových plynov, ako aj novej koncepcie štyroch technológií pracovných cyklov.

Prvá technológia pracovných cyklov využíva v každom valci 1 len energiu paliva v štvortaktnom preplňovanom pracovnom procese tak ako súčasné štvortaktné motory. Druhá technológia pracovných cyklov využíva v každom valci 1 v prvom pracovnom cykle energiu paliva tak ako súčasné štvortaktné motory a v druhom energiu horúcich výfukových plynov v štvortaktných cykloch, ktoré začínajú kompresným zdvihom piesta, ktorým je vzduch, stláčaný vo valci 1, dopravený v smere šípky 8 do expanznej komory 10, ktorá je už naplnená horúcim výfukovým plynom z predošlého procesu. Ich expanzia tlačí na piest 11 expanznej komory 10, ktorý stlačí svoju pružinu a zväčší objem expanznej komory 10. Pred dosiahnutím polohy piesta 2 vo valci 1 v hornom úvrate riadiaci systém motora realizuje vstrek tlakovej tekutiny vstrekovačom 15 expanznej komory 10. Expandujúca zmes horúcich výfukových plynov, tlakovej tekutiny v expanznej komore 10 pôsobí tlakom na piest 11 expanznej komory 10, ktorý stlačí pružinu expanznej komory 10 až do dolného úvratu. Pokračovaním expanzie zmesi horúcich výfukových plynov a tlakovej tekutiny rastie jej tlak a núti prúdiť zmes otvoreným výfukovým ventilom 7 späť do valca 1 a tam tlačí na piest 2 vo valci 1 a ten sa pohybuje z horného úvratu do dolného úvratu a rýchlo zväčšuje objem vo valci 1 a stlačená pružina v expanznej komore 10 vystrelí piest 11 do horného úvratu a vytlačí expandujúcu zmes výfukových plynov, tlakovej tekutiny z expanznej komory 10 cez otvorený výfukový ventil 7 do valca, kde tlakom na piest 2 realizuje druhý pracovný cyklus.

Tretia technológia pracovných cyklov využíva v dvoch krajných valcoch 1 energiu paliva tak ako súčasné štvortaktné motory, v jednom pri trojvalci alebo dvoch pri štvorvalci, stredných valcoch J energiu horúcich výfukových plynov v štvortaktných pracovných cykloch.

Štvrtá technológia pracovných cyklov využíva v dvoch krajných valcoch 1 energiu paliva tak ako súčasné štvortaktné motory, v jednom pri trojvalci alebo dvoch pri štvorvalci, stredných valcoch J energiu horúcich výfukových plynov v dvojtaktných pracovných cykloch.

Na obrázku 3 je základná schéma riadiacej jednotky 30 komplexného riadiaceho systému štvortaktného piestového spaľovacieho motora, ktorá priebežne spracováva získané informácie zo snímačov motora a zo spolupracujúcich agregátov motora, s ktorými realizuje pohon, rozhoduje o spôsobe/ceste, ako bude realizovať plnenie požiadaviek zadaných v programe a požiadavkách, realizuje rozhodnutie o postupe realizácie, efektívne využíva elektronický riadené moduly a systémy ovládania ventilov 5 a 7, vstrekovačov 6 paliva, vstrekovačov 15 do expanznej komory 10 a výfukových prívierok 13 a 14 a umožňuje realizovať štvortaktné aj dvojtaktné pracovné procesy.

Hlavné časti riadiacej jednotky 30 štvortaktného piestového spaľovacieho motora, ktorý efektívne riadi riadiacu jednotku 34 vstrekovača 6 paliva do valca 1, riadiacu jednotku 35 ovládania ventilov sania 5, riadiacu jednotku 36 ovládania výfukových ventilov 7, riadiacu jednotku 37 vstrekovača 15 tlakovej tekutiny do expanznej komory 10, riadiacu jednotku 38 otvárania a časovania výfukovej prívierky 13, riadiacu jednotku 39 otvárania a časovania výfukovej prívierky 14.

Riadiaca jednotka 30 štvortaktného piestového spaľovacieho motora realizuje:

Prvú technológiu štvortaktných cyklov, ktorá začína plnením valca 1 cez otvorený sací ventil 5 pri ktorom sa piest 2 pohybuje z horného úvratu do dolného a pokračuje kompresným zdvihom piesta 2 vo valci 1, pri ktorom sa pohybuje piest 2 z dolného úvratu do horného. Po dosiahnutí horného úvratu riadiaca jednotka 34

SK 7026 Υ1 akčného člena vstrekovača paliva 6 vstrekne palivo do valca 1 motora, pri uzatvorených ventiloch 5 a 7 a aj výfukovej prívierke 13. Prvý štvortaktný cyklus končí výfukovým zdvihom piesta 2 vo valci 1, ktorým vytlačí horúce výfukové plyny otvoreným výfukovým ventilom 7 a uzatvorenou výfukovou prívierkou 13 do expanznej komory 10 a tie stlačia piest 11 expanznej komory 10 a jeho pružinu.

Druhú technológiu štvortaktných cyklov, ktorá začína plnením valca 1 cez otvorený sací ventil 5, pri ktorom sa piest 2 pohybuje z horného úvratu do dolného a pokračuje kompresným zdvihom piesta 2 vo valci 1, a po otvorení výfukového ventilu 7 riadiacou jednotkou 36 akčného člena vytlačí vzduch z valca 1 cez otvorený výfukový ventil 7 do expanznej komory K). Pri dosiahnutí horného úvratu piesta 2 vo valci 1 riadiaca jednotka 37 akčného člena vstrekovača 15 tlakovej tekutiny vstrekne túto do expanznej komory 10. Expanzia zmesi stlačí piest 11 expanznej komory 10 až do dolného úvratu. Zvyšovanie tlaku núti expandujúcu zmes prúdiť stále otvoreným výfukovým ventilom 7 späť do valca 1 a tlačiť na piest 2, ktorý koná druhý pracovný zdvih len s využitím energie horúcich výfukových plynov. Druhý pracovný cyklus končí výfukovým zdvihom piesta 2 vo valci 1, ktorým cez stále otvorený výfukový ventil 7 vytlačí expandovanú zmes cez otvorenú výfukovú prívierku 13 riadiacou jednotkou 38 akčného člena do výfukového potrubia v smere šípky 16.

Tretiu technológiu pracovných cyklov, ktorá využíva v dvoch krajných valcoch 1 štvorvalca energiu paliva tak ako súčasné motory, v jednom pri trojvalci, alebo dvoch pri štvorvalci, stredných valcov 1 energiu horúcich výfukových plynov v štvortaktných pracovných cykloch. Ich priebeh je opísaný v druhej technológii. Po ukončení expanzného zdvihu je výfukovým zdvihom piesta 2 valca 1 expandovaná zmes horúcich výfukových plynov vytlačená cez stále otvorený výfukový ventil 7 v smere šípky 8 a cez otvorené výfukové prívierky 13 a 14 až do výfukového potrubia v smere šípky 16.

Štvrtú technológiu pracovných cyklov, ktorá využíva v dvoch krajných valcoch 1 energiu paliva tak ako súčasné štvortaktné motory, v jednom valci 1 pri troj valci v dvojtakných cykloch, alebo dvoch stredných valcoch 1 pri štvorvalci energiu horúcich výfukových plynov v štvortaktných pracovných cykloch. Na obrázku 4 je nové vyhotovenie tesniaceho krúžku piesta 1 expanznej komory W, ktoré má vyššiu účinnosť pri zabezpečovaní utesnenia expandujúcich horúcich výfukových plynov a tlakovej tekutiny v expanznej komore W.

Priemyselná využiteľnosť

Piestové spaľovacie motory so štvortaktným pracovným procesom, ktoré využívajú energiu paliva aj energiu výfukových plynov v modifikácii zážihového alebo vznetového motora, majú vyhotovenia: radové, s usporiadaním valcov v rade dvojradové s dvoma radmi valcov vedľa seba, v tvare V s uhlom rozovretia valcov až 90 stupňov; a ležaté s uhlom rozovretia valcov 180 stupňov.

Sú výhodné pre pohonné systémy, pri ktorých sú prísne sledované limity emisií v osobných, dodávkových aj nákladných automobiloch a autobusoch, v pohonných systémoch lokomotív v železničnej doprave, v poľnohospodárskych, lesných, stavebných a cestných strojoch, v pohonných systémoch stacionárnych elektrických zdrojových agregátov výroby elektrickej energie.

Claims (5)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Štvortaktné piestové spaľovacie motory a ich kombinácie využívajúce energiu paliva aj energiu výfukových plynov v dvoch druhoch pracovných procesoch, v prvom je využívaná energia paliva a v druhom tepelná energia horúcich výfukových plynov v modifikácii zážihového alebo vznetového motora, vyznačujúce sa tým, že pozostávajú s valca (1), v ktorom je posuvne umiestnený piest (2) s ojnicou (3), na vrchnej časti valca (1) je vstrekovač paliva (6), sací ventil (5) prívodu vzduchu do valca (1) a výfukový ventil (7) prúdenia výfukových plynov do expanznej komory (10), za ktorou je situovaná výfuková prívierka (13) výfukového potrubia, v expanznej komore (10) je piest (11) s vratnou pružinou a nad expanznou komorou (10) je vstrekovač (15) tlakovej tekutiny do expanznej komory (10) a za expanznou komorou (10) je prívierka (14) prúdenia výfukových plynov.
2. 2. Štvortaktné piestové spaľovacie motory podľa nároku 1,vyznačujúce sa tým, že majú spriahnuté on-line riadenie s komplexným elektronickým riadiacim systémom (30) riadenia realizácie štyroch technológií pracovných procesoch spojených s riadiacou jednotkou (34) vstrekovača (6) paliva do valca (1), riadiacou jednotkou (35) ventilu prívodu vzduchu (5) do valca (1), riadiacou jednotkou (36) výfukového ventilu (7), riadiacou jednotkou (37) vstrekovača (15) tlakovej tekutiny do expanznej komory (10), riadiacou jednotkou (38) výfukovej prívierky (13), riadiacou jednotkou (39) výfukovej prívierky (14).
3. 3. Štvortaktné piestové spaľovacie motory podľa nároku la 2, vyznačujúce sa tým, že piest (11) expanznej komory (10) má jeden tesniaci krúžok novej koncepcie, má dĺžku 75 až 85 percent dĺžky piesta (11) a jeho materiál má samomazný povrch.
4. 4. Štvortaktné piestové spaľovacie motory podľa nároku 1,2a 3, vyznačujúce sa tým, že

   SK 7026 Υ1 sú vo vyhotoveniach radovom s valcami (1) v rade za sebou alebo s dvoma radmi valcov (1) vedľa seba alebo v tvare V s uhlom rozovretia valcov (1) až 90 stupňov, alebo s ležatými valcami (1) s uhlom ich rozovretia až 180 stupňov.
5. 5 4 výkresy

   SK 7026 Υ1 špecifická spotreba paliva (g/kWh)