SK722012U1 - Dvojtaktné piestové spaľovacie motory a ich kombinácie využívajúce energiu paliva aj energiu výfukových plynov - Google Patents

Abstract

Dvojtaktné piestové spaľovacie motory v modifikácii benzínového alebo naftového 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

Dvojtaktné piestové spaľovacie motory využívajúce energiu paliva aj tepelnú energiu výfukových plynov.

Oblasť techniky.

Technické riešenie sa týka dvojtaktných piestových spaľovacích motorov v , modifikácií zážihového alebo vznetového motora, ktoré využívajú preplňovaný spaľovací proces a súprudné vyplachovanie valcov s výfukovým ventilom v hlave valcov a sú využívané v pohonných systémoch dopravných prostriedkov, výrobkov a zariadení v rôznych priemyselných odvetviach.

Doterajší stav techniky.

Piestové spaľovacie motory rozdeľujeme:

Podľa používaného druhy paliva na zážihové, ktoré využívajú energiu benzínu jeho spaľovaním a aj palivá s obdobnými vlastnosťami ako zemný plyn, propan-butan a ďalšie; zapaľovanie zmesi paliva a vzduchu je realizované elektrickou iskrou zapaľovacej sviečky a dieselové, ktoré využívajú energiu nafty jej spaľovaním a aj palív s obdobnými vlastnosťami, ako je bionafta a rôzne druhy biopalív. Na zapaľovanie smesy nafty a vzduchu sa využíva teplo žhaviacej sviečky alebo teplo získané kompresiou vzduchu privedeného do valca.

Podľa spôsobu pracovných cyklov sú dvojtaktné a ich pracovný proces trvá jednu otáčku kľukového hriadeľa motora, a štvortaktné ich pracovný cyklus trvá dve otáčky kľukového hriadeľa.

Podľa usporiadania valcov sú radové, tvaru „V“, ležaté, hviezdicové, s protibežnými piestami a špeciálneho vyhotovenia.

Podľa veľkosti otáčok sú :

- rýchlobežné v rozsahu otáčok od 5.000 až 17.000 otáčok za minútu,

- pomalobežné v rozsahu otáčok od 750 do 5000 otáčok za minútu,

- veľmi malých otáčok a veľkých výkonov v rozsahu otáčok od 50 do150 ot. /minútu,

Piestové spaľovacie motory sa využívajú ako pohonné agregáty predovšetkým :

- v dopravných prostriedkoch cestnej, železničnej a predovšetkým v pohonných systémoch lodí pre ich efektívnejšie vyhotovenie a dlhú životnosť,

- v stacionárnych pohonných systémoch ako pohonné agregáty na výrobu elektrickej energie, pre pohon vodných čerpadiel, kompresorov atď.

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

Rozhodujúce nedostatky piestových spaľovacích motorov je ich malá účinnosť, ktorá je dôsledkom zastaralej koncepcie, neefektívne využívanie energie paliva, vyššia spotreba paliva je pri nižšom zaťažení a vysoká produkcia škodlivých emisií, i

Podstata technického nesenia.

Dvojtaktné piestové spaľovacie motory, využívajúce energiu paliva aj tepelnú energiu výfukových plynov v modifikácii zážihového alebo vznetového motora:

- efektívne využívajú dva druhy energií v dvoch troch druhov dvojtaktných pracovných procesoch a to energiu paliva v dvojtaktných cykloch, a tepelnú energiu horúcich výfukových plynov v dvojtaktných cykloch,

- využívajú nové technické riešenia elektronický riadených modulov a systémov ovládania ventilov, vstrekovačov paliva, vstrekovačov do expanznej komory a výfukových prívierok, ktoré pri nižšom zaťažení efektívne realizujú využívanie energiu paliva aj energie výfukových plynov.

Komplexný elektronický riadiaci systém a elektronický riadené moduly ovládania ventilov, modulov vstrekovačov paliva, modulov vstrekovačov do expanzných komôr a modulov a výfukových prívierok a umožňujú realizovať využívanie dvoch druhov energií troma technológiami pracovných cyklov:

Prvá technológia pracovných cyklov využíva vo všetkých valcoch len energiu paliva v dvojtaktných pracovných cykloch, tak ako súčastné dvojtaktné motory,

Druhá technológia pracovných cyklov využíva:

- vo všetkých valcoch energiu paliva v prvom dvojtaktnom cykle,

-a v druhom dvojtaktnom cykle energiu výfukových plynov.

Tretia technológia pracovných cyklov využíva:

- u štvorvalcového motora v dvoch krajných valcoch energiu paliva v dvojtaktnom cykle a u dvoch stredných valcoch využíva efektívne energiu horúcich výfukových plynov v dvojtaktnom cykle,

- u trojvalcového motora využíva v dvoch krajných valcoch energiu paliva v dvojtaktnom cykle a u valca v strede využíva efektívne energiu horúcich výfukových plynov v dvojtaktnom cykle.

Komplexný riadiaci systém dvojtaktného piestového spaľovacieho motora, využívajúci energiu paliva aj energiu výfukových plynov na on-line spriahnuté riadenie, priebežné sledovanie a vyhodnocovanie okamžitého stavu procesu, údajov potrebných na riadenie dvoch druhov pracovných procesov, ktoré využívajú dva druhy energií realizovaných tromi technológiami pracovných cyklov.

Rozhodujúce prínosy novej koncepcie dvoch druhov pracovných procesov: , ,

- výrazne efektívnejšie využívanie energie paliva aj energie výfukových plynov,

- výrazné zníženie spotreby paliva, ktoré môže dosiahnuť až 30%,

- výrazné zníženie produkcie škodlivých emisií, ktoré produkuje len preplňovaný pracovný proces, ktorý využíva energiu paliva.

Prehľad obrázkov:

Obrázok číslo 1. Zobrazuje na grafoch špecifickú spotrebu paliva,

Obrázok číslo 2. Schéma hlavných častí dvojtaktného piestového spaľovacieho motora, ktorý využíva energiu paliva aj energiu výfukových plynov,

Obrázok číslo 3. Schéma časti komplexného elektronického riadiaceho systému dvojtaktného piestového spaľovacieho motora,

Obrázok číslo 4. Zobrazuje vyhotovenie tesniaceho krúžku piesta expanznej komory.

Príklady uskutočnenia.

Na obrázku číslo 2 je schéma časti vyhotovenia dvojtaktného piestového spaľovacieho motora s dvoma druhmi pracovných procesov v modifikácii zážihového alebo vznetového motora so súprudnym vyplachovaním valcov 1_ a výfukovým ventilom 7 umiestneným v hlave valcov jarná vytvorené podmienky na efektívnu realizáciu novej koncepcie dvoch druhov pracovných procesov s využívaním dvoch druhov energií a to energie paliva aj tepelnej energie horúcich výfukových plynov realizovaných tromi technológiami pracovných cyklov.

Hlavné časti motora sú: valec 1, piest 2 s piestnicou, výfukový ventil 7 s elektronickým ovládaním, vstrekovač 6 paliva do valca 1_, vstrekovač 15 tlakovej tekutiny do expanznéj komory 10 s tepelnou izoláciou, piest 11 expanznej komory 10 s pružinou, ktorá tlačí piest 11 do polohy v hornej úvrati, spínač 12 signalizácie polohy piesta 11 v dolnej úvrati, výfuková prívierka 13 je v otvorenej polohe pre výfuk do atmosféry v smere šípky 16 a uhol 17 natočenia prívierky 14 do uzatvorenej polohy, keď horúce výfukové plyny vytláča nová náplň valca 1 stlačeným vzduchom z komory 5 pod piestom 2 smerom do expanznej komory 10. Na zvýšenie efektívnosti expanzie v expanznej komore 10 v druhom pracovnom procese je do expanznej komory 10 jej vstrekovačom 15 vstreknutá tlaková tekutina, ktorá svojou expanziou výrazne zvýši tlak expandujúcej zmesi výfukových plynov. Pre modifikáciu vznetového vyhotovenia je výhodné tlakovú tekutinu obohatiť o močovinu, jej prínosom bude výrazná redukcia emisií /NOx/.

Na obrázku číslo 3 je základná schéma komplexného elektronického systému riadenia 30 dvojtaktného piestového spaľovacieho motora. Komplexný riadiaci systém dvojtaktného piestového spaľovacieho motora, využívajúci energiu paliva aj energiu výfukových plynov na on-line spriahnuté riadenie, priebežné sledovanie a vyhodnocovanie okamžitého stavu procesu, údajov potrebných na riadenie dvoch druhov pracovných procesov, ktoré využívajú dva druhy energií realizovaných tromi technológiami pracovných cyklov.

Hlavné časti riadiacej jednotky 30 komplexného riadiaceho systému dvojtaktného motora sú:

riadiaca jednotka 34 vstrekovača 6 paliva do valca 1, riadiaca jednotka 36 časovania otvárania a zatvárania výfukového ventilu 7, riadiaca jednotka 37 vstrekovača 15 tlakovej tekutiny do expanznej komory 10, riadiaca jednotka 38 otvárania a zatvárania výfukovej prívierky 13, riadiaca jednotka 39 otvárania a zatvárania výfukovej prívierky 14.

Centrálna riadiaca jednotka 30 piestového spaľovacieho motora :

- priebežne spracováva získané informácie zo snímačov motora, a zo spolupracujúcich agregátov motora, s ktorými realizuje pohon,

- rozhoduje o postupe realizácie plnenia požiadaviek zadaných v programe. Centrálna riadiaca jednotka 30 piestového spaľovacieho motora realizuje pri štartovaní a rozbehu motora všetky funkcie potrebné na realizáciu len prvej technológie pracovných cyklov v každom valci i motora, a využíva energiu paliva a to do doby dokiaľ sa nezohrejú potrebné časti motora na prevádzkovú teplotu.

Prvá technológia pracovných cyklov začína plnením valca 1, pri ktorom sa piest 2 pohybuje do dolnej úvrate a svojou hornou časťou odkrýva otvory vo valci 5, ktorými začne prúdiť nová náplň valca 1_- tlakový vzduch, a ten vytláča cez otvorený výfukový ventil 7, pri otvorenej výfukovej privierke 13 a uzatvorenej výfukovej prívierke 14 do expanznej komory 10 horúce výfukové plyny. Piest 2 pokračuje kompresným zdvihom piesta 2, pri ktorom sa pohybuje s dolnej úvrati do hornej a svojou hornou časťou uzatvorí otvory 5 prívodu vzduchu v dolnej časti valca 1 a riadiaca jednotka 36 výfukového ventilu 7, ktorý následne uzatvorí.

Piest 2 vo valci 1_dosiahne hornú úvrať a riadiaca jednotka 34 vstrekovača 6 paliva vstrekne palivo do valca i motora, pri uzatvorenom výfukovom ventile 7 a aj výfukovej privierke 13. Potom prebehne expanzia paliva, ktorá svojim tlakom pôsobí na piest 2 vo valci t, ktorý svojím pohybom z hornej úvrati do dolnej realizuje pracovný zdvih prvej technológie pracovných cyklov.

Druhá technológia pracovných cyklov, ktorá využíva tepelnú energiu horúcich výfukových plynov uložených v expanznej komore 10 začína plnením valca 1_ pri ktorom sa piest 2 pohybuje do dolnej úvrati a svojou hornou časťou odkrýva otvory vo valci 5, ktorými začne prúdiť nová náplň valca 1- tlakový vzduch, a ten vytláča cez otvorený výfukový ventil 7, pri otvorenej výfukovej privierke 13 a uzatvorenej výfukovej privierke 14 do expanznej komory 10 horúce výfukové plyny. Piest 2 pokračuje kompresným zdvihom vo valci 1_, pri ktorom sa pohybuje z dolnej úvrati do hornej a svojou hornou časťou uzatvorí otvory komory 5 prívodu vzduchu v dolnej časti valca 1_ a riadiaca jednotka 36 výfukového ventilu 7 uzatvorí výfukový ventil 7. Podľa pokynu riadiacej jednotky 37 vstrekovač 15 tlakovej tekutiny vstrekne tlakovú tekutinu do expanznej komory 10. Expanzia zmesi výfukových plynov a tlakovej tekutiny stlačí piest 11 expanznej komory 10 smerom k dolnej úvrati. Piest 2 pokračuje k hornej úvrati vo valci 1 kompresným zdvihom a stlačuje vzduch nad piestom 2. Po dosiahnutí potrebného tlaku vzduchu nad piestom 2 riadiaca jednotka 36 výfukového ventilu 7 otvorí výfukový ventil 7_, a piest 2_vytlačí stláčaný vzduch vo valci 1_ do expanznej komory 10. Expanzia zmesi výfukových plynov, tlakového vzduchu a tlakovej tekutiny stlačí piest 11 expanznej komory 10 až do dolnej úvrati. Zvyšovanie tlaku v expanznej komore 10 núti expandujúcu zmes prúdiť stále otvoreným výfukovým ventilom 7 späť do valca f a tlačiť na piest 2 a ten sa pohybuje z hornej úvrati do dolnej úvrati a rýchlo zväčšuje objem vo valci 1 a stlačená pružina piesta 11 v expanznej komore 10 vystrelí piest 11 do hornej úvrati a vytlačí expandujúcu zmes horúcich výfukových plynov, stlačeného vzduchu a tlakovej tekutiny z expanznej komory 10 cez otvorený výfukový ventil 7 do valca f. Druhá technológia pracovných cyklov končí výfukom expandovanej zmesi cez otvorený výfukový ventil 7 a otvorené výfukové prívierky 13 a14 do výfukového potrubia.

Tretia technológia pracovných cyklov, ktorá efektívne využíva:

- v dvoch krajných valcoch energiu paliva v dvojtaktných cykloch,

- v stredných valcoch energiu horúcich výfukových plynov v dvojtaktných cykloch.

Piest 11 expanznej komory 10 má len jeden tesniaci krúžok vyhotovený z materiálu so samomazným povrchom a má dĺžku 65 až 75 percent dĺžky piesta 11 a zabezpečuje utesnenie expandujúcej zmesi horúcich výfukových plynov, tlakovej tekutiny a tlakového vzduchu v expanznej komore 10. Utesnenie je realizované plochou, danou dĺžkou tesniaceho krúžku. Deliaca štrbina B je vhodná pre dlhšie tesniace krúžky a štrbina A je pre vyššie tlaky. Príklad je na obrázku číslo 4.

Priemyselná využiteľnosť.

Dvojtaktné piestové spaľovacie motory využívajúce energiu paliva aj energiu výfukových plynov sú využiteľné vo vyhotoveniach radové vyhotovenie s usporiadaním valcov v rade, dvojradové vyhotovenie s dvoma radmi valcov vedľa seba, vyhotovenie v tvare „V„ s uhlom rozovretia valcov 30, až 90 stupňov a ležaté vyhotovenie s uhlom rozovretia valcov 180 stupňov.

Pre pohonné systémy motorových lokomotív v železničnej osobnej aj nákladnej doprave, poľnohospodárskych, lesných, stavebných a cestných strojov, ako aj u zálohových stacionárnych generátorov výroby elektrickej energie.

Claims (4)

Nároky na ochranu.

1. Dvojtaktné piestové spaľovacie motory a ich kombinácie využívajú energiu paliva aj energiu výfukových plynov v dvoch druhoch pracovných procesoch v modifikácii zážihového alebo vznetového motora vyznačujúce sa tým, že pozostávajú s valca (1), v ktorom je posuvne umiestnený piest (2), spiestnicou a ojnicou (3) a jednou kľukou (4), vstrekovačom paliva (6) do valca (1), výfukovým ventilom (7), výfukovým potrubím pre prúdenie výfukových plynov (8) a výfukovou prívierkou (13) pre prúdenie výfukových plynov do expanznej komory (10), v ktorej je piest (11) s pružinou a spínačom polohy (12) piesta (11) v dolnej úvrati expanznej komory (10), nad expanznou komorou (10) Je umiestnený vstrekovač (15) tlakovej tekutiny do expanznej komory (10), a výfukovou prívierkou (14) pre prúdenie výfukových plynov z expanznej komory (10) do povetria.

2. Dvojtaktné piestové spaľovacie motory, podľa nároku 1. vyznačujúce sa tým, že majú spriahnuté on-line riadenie s komplexným elektronickým riadiacim systémom (30), spojeným 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 expanznej komory (10). riadiacou jednotkou (38) výfukovej prívierky (13), riadiacou Jednotkou (39) výfukovej prívierky (14),

3. Dvojtaktné piestové spaľovacie motory podľa nároku 1 a 2 vyznačujúce sa tým, že piest (11) expanznej komory (10) má jeden tesniaci krúžok novej koncepcie a jeho dĺžka dosahuje 75 až 85 percent dĺžky piesta (11).

4. Dvojtaktné piestové spaľovacie motory, podľa nároku 1, 2 a 3 vyznačujúce sa tým, že sú vo vyhotoveniach s valcami (1) v rade za sebou a to 2-valec, 3- valec, 4-valec, 5- valec, 6- valec, 8valec, 10- valec, 12- valec a aj viacvalcovom vyhotovení, alebo s dvoma radmi valcov (1) vedľa seba, alebo s valcami (1) v tvare,, V „s uhlom rozovretia valcov 30 až 90 stupňov alebo s ležatými valcami (1) s uhlom ich rozovretia až 180 stupňov.

špecifická spotreba paliva (g/kWh)