Štvortaktné piestové spaľovacie motory využívajúce energiu paliva aj energiu výfukových plynov

Číslo patentu: U 6056

Dátum: 02.03.2012

Autori: Mikulovský Jaroslav, Dobrucký Branislav, Mikulovský Štefan

Je ešte 3 strany.

Pozerať všetko strany alebo stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

Technické riešenie sa týka štvortaktných piestových spaľovacích motorov V modiñkácii zážihového alebo vznetového motora, ktore sú využívané ako pohony- v dopravných prostriedkoch cesmej, železničnej a vodnej dopravy,- v poľnohospodárskych a lesných traktoroch a strojoch,- v letectve pre malé lietadlá a helikoptéry,- v systémoch výroby energií elektrickej, tlakovej kvapaliny pre hydraulické systémy rýpadiel, nakladačov,cestných, stavebných aj poľnohospodárskych strojov a v ďalších priemyselných odvetviach.Doteraj ší stav technikyPiestové spaľovacie motory rozdeľujeme podľa používaného druhu paliva- benzínové, ktoré využívajú energiu paliva benzínu jeho spaľovaním a aj palivá 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 dvojtaktné, pracovný cyklus trvá jednu otáčku kľukového hriadeľa motora, alebo štvortaktné, pracovný cyklus trvá dve otáčky. Podľa usporiadania valcov sú radové, tvaru V,ležaté, hviezdicové. Podľa veľkosti otáčok sú- rýchlobežné v rozsahu otáčok od 3 000 až 17 000 otáčok za minútu,- pomalobežné v rozsahu otáčok od 750 do 3 000 otáčok za minútu,- veľmi pomalobežne lodné a veľkých výkonov v rozsahu otáčok od 100 ot./minútu.Podľa veľkosti výkonu sú- miniatúme, na pohon modelov lietadiel, vrtuľníkov, lokomotív, lodí, malé výkony na pohon ručných nástrojov píl, vŕtačiek, kladív atď.,- s výkonmi od 50 kW až 300 kW pre osobné automobily, až l 000 kW pre nákladné,- pre vyššie výkony do 10 000 kW a aj vyššie výkony pre stacionámc agregáty.Piestové spaľovacie motory sa využívajú ako pohonné agregáty predovšetkým- v dopravných prostriedkoch cestnej, železničnej, vodnej aj leteckej doprave,- V stacionámych 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 najmodemejších 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 zrejmé z grafov špecifickej spotreby benzínových a aj naftových motorov automobilov MERCEDES značky A 160 s benzínovým motorom a A l 70 CDI s naftovým motorom, uvedených na výkrese číslo l. Rozhodujúce nedostatky piestových spaľovacích motorov sú produktom zastaranej koncepcie a nižšej účinnosti. Neefektívne využívanie energie paliva, keď v prevádzke je vyššia spotreba paliva pri nižšom zaťažení a vyššia spotreba paliva je pri nižšom zaťažení a vysoká produkcia škodlivých emisn.Štvortaktné piestové spaľovacie motory, využívajúce energiu paliva aj energiu výfukových plynov, v modiñkácii zážihového alebo vznetového motora, s efektívnym využívaním dvoch druhov energií v dvoch druhov pracovných procesov realizovaných v jednom valci.Prvý štvortaktný preplňovaný pracovný proces efektívne využíva energiu paliva spaľovaním zmesi paliva a stlačeného vzduchu nad piestom v hornom úvrate, Palivo je vstreknuté vstrekovačom do stlačeného vzduchu vo valci nad piestom v homom úvrate, rovnako ako súčasné štvortaktne piestové spaľovacie motory. Piest sa pri expanzii paliva a stlačeného vzduchu pohybuje vo valci z horného do dolného úvratu je to efektívny zdvih, pri ktorom pôsobením tlaku na čelnú plochu piesta vzniká sila, ktorá pôsobí počas expanzného zdvihu po dráhe zdvihu a koná užitočnú prácu.Pri ďalšom výfukovom zdvihu sa piest vo valci pohybuje z dolného úvratu do homého úvratu a vytlačí horúce výfukové plyny- do expanznej komory pri uzatvorenej výfukovej prívierky V expanznej komore dopravený objem horúcich výfukových plynov stlačí piest aj s pružinou o prvú časť objemu expanznej komory,- po otvorení výfukovej prívierky do výfukového potrubia.Pri štartovaní, rozbehu a mimoriadnom zaťažení motora elektronický riadiaci systém opakovane realizuje len prvý štvortaktný preplňovaný pracovný proces, pri ktoromje využívaná energia paliva.Druhý štvortaktný preplňovaný pracovný proces efektívne využíva tepelnú energiu horúcich výfukových plynov, ktoré boli výfukovým zdvihom piesta vytlačené z valca do expanznej komory a elektronický systém riadenia zabezpečí jeho realizáciu- v štvortaktnom preplňovanom pracovnom procese, ktorý začína po skončení výfukového zdvihu, pričom sa piest pohybuje z homého úvratu do dolného úvratu a prebieha preplňovanie valca vzduchom. Pri ďalšom kompresnom zdvihu sa piest pohybuje z dolného úvratu do homého úvratu a vo valci nad piestom je stláčaný vzduch až do dosiahnutia požadovaného tlaku a to pri polohe piesta 40 až 30 stupňov pred homým úvratom. Elektronický riadiaci systém otvorí výfukový ventil, cez ktorý je pretlakom stlačený vzduch vo valci vytlačený do expanznej komory pri uzatvorenej výfukovej prívierke. Vytlačený vzduch má na začiatku vyšší tlak,ako je tlak výfukových plynov v expanznej komore a stlačí piest a jeho pružinu o druhú časť objemu expanznej komory. Pri dosiahnutí polohy piesta V hornom úvrate elektronický riadiaci systém realizuje vstrekovačom expanznej komory vstrek tlakovej kvapaliny/vzduchu tá v expanznej komore expanduje a zvýši tlak expandujúcej zmesi, ktorý stlačí piest a jeho pružinu až do dolnej polohy, kde dosadne na spínač, ktorý zablokuje polohu piesta v dolnom úvrate. Ďalší nárast tlaku V expanznej komore núti prúdiť expandujúcu zmes cez stále otvorený výfukový ventil späť do valca, kde tlačí na piest, ktorý sa pohybuje z horného úvratu do dolného úvratu, rýchlo zväčšuje objem vo valci, čo zníži tlak v expanznej komore a pružina piesta vystrelí piest do homej polohy a vytlačí expandujúcu zmes do valca. Piest vo valci vykonáva druhý pracovný zdvih bez použitia paliva a bez produkcie emisií. Ďalším pohybom piesta z dolného úvratu do homého je expandovaná zmes so stále horúcimi výfukovými plynmi, podľa rozhodnutia elektronického riadiaceho systému, vytlačená cez výfukový ventil- len do expanznej komory a bude opakovane realizovaný ďalší dvojtaktný pracowiý proces, nakoľko to umožňuje dostatočne vysoká teplota výfukových plynov,- do výfukového potrubia, po otvorení výfukovej prívierky.V dvojtaktnom pracovnom procese, ktorý začína hneď po skončení expanzného zdvihu piesta, po ktorom sú výfukové plyny pohybom piesta z dolného úvratu do homého úvratu vytlačené do expanznej komory a stlačia piest s pružinou o časť jeho zdvihu. Elektronický riadiaci systém realizuje vstrekovačom expanznej komory vstrek tlakovej kvapaliny/vzduchu, ktorá V horúcich výfukových plynoch expanduje a zvýši tlak expandujúcej zmesi a ten stlačí piest s pružinou až do dolnej polohy, kde dosadne na spínač, ktorý zablokuje polohu piesta V dolnom úvrate. Ďalší rast tlaku V expanznej komore núti prúdiť expandujúcu zmes cez stále otvorený výfukový ventil späť do valca, kde tlačí na piest, ktorý rýchlo zväčšuje objem vo valci a tým poklesne tlak V expanznej komore a stlačená pružina vystrelí piest do homej polohy a ten vytlačí expandujúcu zmes do valca. Piest pohybom z homého úvratu do dolného kona druhý pracovný zdvih bez použitia paliva a bez produkcie emisií. Ďalším pohybom piesta z dolného úvratu do horného je expandovaná zmes horúcich výfukových plynov vytlačená cez stále otvorený výfukový ventil, podľa výsledku vyhodnotenia elektronického riadiaceho systému- len do expanznej komory a je pripravená na realizáciu ďalšieho dvojtaktného pracovného procesu, čo umožňuje vysoká teplota výfukových plynov,- do výfukového potrubia, po otvorení výfukovej prívierky.Pri štartovaní, rozbehu a mimoriadnom zaťažení motora elektronický riadiaci systém opakovane realizuje len prvý štvortaktný preplňovaný pracovný proces, pri ktorom je využívaná energia paliva. Keď riadiaci systém vyhodnotí, že potrebné časti motora dosiahli požadovanú prevádzkovú teplotu, až potom realizuje aj druhý pracovný proces, pri ktorom je efektívne využívaná aj tepelná energia výfukových plynov.Pre modiflkáciu vznetoveho vyhotovenia motora je výhodné vstrekovanú kvapalinu obohatiť o močovinu,jej prínosom je výrazná redukcia emisií (NOx).Štvortaktné piestove spaľovacie motory využívajúce energiu paliva aj energiu výfukových plynov využívajú elektronícký riadiaci systém na on-line spriahnuté riadenie, priebežné sledovanie a vyhodnocovanie okamžitého stavu procesu, údajov potrebných na riadenie a efektívnu realizáciu novej koncepcie dvoch druhov pracovných procesov s využívaním dvoch druhov energií.Centrálna riadiaca jednotka elektronického riadiaceho systému motora má na svoje vstupy pripojené výstupy snímačov na získanie informácií- o teplote a tlaku oleja, paliva, Vody, dodávaných akčnými členmi riadenia (spoločný rozvod - common rail),- o množstve paliva, dodávaného do vstrekovača paliva,- o množstve tlakovej kvapaliny, dodávanej do vstrekovača expanznej komory,- o množstve vzduchu pre preplňovanie valcov, 10- o polohe kľukového hriadeľa,- o spolupracujúcich agregátov motora alternátora na výrobu elektrickej energie, hydročerpadla na výrobu tlakového oleja, čerpadla tlakovej kvapaliny.Na výstupy centrálnej riadiacej jednotky sú pripojené akčné členy vstrekovania paliva, vstrekovania vody, výfukového ventilu a výfukovej prívierky.Centrálna riadiaca jednotka riadiaceho systému piestového spaľovacieho motora- priebežne spracováva získané informácie zo snímačov motora, a zo spolupracujúcich agregátov motora, s ktorými realizuje pohon,- rozhoduje, na základe vyhodnotenia požiadaviek zadaných v programe alebo požiadaviek vyjadrených stlačením plynového pedálu dopravného prostriedku,- generuje aktuálne príkazy pre podružné riadiace jednotky systému riadiace jednotky akčných členov,vstrekovania paliva, vstrekovania tlakovej vody otvárania výfukového ventilu a výfukovej prívrerky, ktoré realizujú požadované funkcie riadiacej jednotky.Rozhodujúce prínosy novej koncepcie dvoch druhov pracovných procesov s využívaním dvoch druhov energií sú- výrazne efektívnejšie využívanie energie paliva,- výrazne zníženie spotreby paliva, ktoré môže dosiahnuť až 40 ,- výrazne zníženie produkcie škodlivých emisií, ktoré produkuje len každý druhý štvortaktný preplňovaný pracovný proces, keď využíva energiu paliva,- 100 reprodukovateľnosť funkcií riadiacej jednotky, vyplývajúcej z použitia číslicových systémov riadenia,- výrazné zvýšenie účinnosti a to o 20 až 25 ,- zvýšenie technických parametrov motora,- jednoduchá preprogramovateľnosť funkcií centrálnej riadiacej jednotky na ďalšie možné rozšírenie a využitie systému.Prehľad obrázkov na výkresochVýkres číslo l Zobrazuje špecifickú spotrebu paliva - graficky vyrábaných a využívaných štvortaktných piestových spaľovacích motorov automobilov Mercedes.Výkres číslo 2 Schéma hlavných častí štvortaktného piestového spaľovacieho motora, ktorý využíva energiu paliva ajenergiu výfukových plynov V modifikácií zážihového alebo vznetového motora a efektívne realizuje novú koncepciu dvoch druhov pracovných procesov s využívaním dvoch druhov energií.Výkres číslo 3 Schéma elektronického riadiaceho systému pre štvortaktný piestový spaľovací motor, ktorý efektívne realizuje novú koncepciu dvoch druhov pracovných procesov s využívaním dvoch druhov energií.Výkres číslo 4 Zobrazuje vyhotovenie tesniaceho krúžku novej koncepcie piesta expanznej komory.Základné vyhotovenie jednovalcového štvortaktného piestového spaľovacieho motora, využívajúceho energiu paliva aj energiu výfukových plynov s preplňovaným pracovným procesom v modifikácii zážihového alebo vznetového motora, znázomený na výkrese číslo 2, má vytvorené podmienky na efektívnu realizáciu novej koncepcie dvoch druhov pracovných procesov s využívaním dvoch druhov energií a to energie paliva a energie horúcich výfukových plynov vjednom valci štvortaktného piestového spaľovacieho motora a jednej expanznej komory umiestnenej pri výfukovom potrubí valca ajedným kľukovým mechanizmom.Hlavné častí motora sú valec l, piest g, ojníca ě a mechanizmus s jednou kľukou kľukového hriadeľa g,nasávacím ventilom s potrubím j, výfukovým ventilom s elektronickým ovládaním 1, smerov prúdenia § vzduchu vytláčaného z valca pri druhom kompresnom zdvihu piesta z valca do expanznej komory a smeru prúdenia expandujúcej zmesi z expanznej komory do valca l, vstrekovač paliva ý do valca, expanzná komora lg s izoláciou pripojená za výfukovým ventilom, vstrekovač kvapaliny/vzduchu do valca expanznej komoryE, piest expanznej komory s tlačnou pružinou piesta, spínač koneovej polohy piesta v dolnom úvrate Q,výfuková prívierka Q, s elektronickým ovládaním, ktorým je uzatváraná v smere šípky 16, výfukové potrubie g a smer prúdenia výfukových plynov v potrubí. Na zvýšenie efektívnosti expanzie v druhom pracovnom procese je do expanznej komory vstrekovačom Q vstreknutá kvapalina, ktorá svojou expanziou výrazne zvýši tlak expandujúcej zmesi výfukových plynov a tlakovćho vzduchu. Pre modiñkáciu vznetového vyhotovenia je kvapalina obohatená o močovínu, pre redukciu (NOx).Realizácia dvoch druhov pracovných procesov, ktoré využívajú energiu paliva aj energiu výfukových plynov- Prvý pracovný proces využíva energiu paliva v jednom valci so štvortaktným preplňovaným pracovným procesom. Pri výfukovom zdvihu piesta sú horúce výfukové plyny dopravenć cez otvorený výfukový ventil Z v smere šípky § do expanznej komory 1 O pri uzatvorenej výfukovej prívierke lg.- Druhý z pracovných procesov využíva tepelnú energiu horúcich výfukových plynov v štvortaktnom preplňovanom pracovnom procese. Pri kompresnom zdvihu piesta g je vzduch stlačený vo valci l dopravený V smere šípky § do expanznej komory m pri uzatvorenej prívierke Q, ktorá je naplnená horúcim výfukovým plynom. Ich expanzia tlačí na piest expanznej komory l 1, ktorý stlačí svoju pružinu a zväčší objem expanznej komory 19. Pred dosiahnutim polohy piesta v hornom úvrate elektronický riadiaci systém realizuje vstrek tlakovej kvapaliny/vzduchu vstrekovačom v expanznej komore. Expandujúca zmes horúcich výfukových plynov, tlakovej kvapaliny/vzduchu v expanznej komore pôsobí tlakom na piest komory, ktorý stlačí pružinu expanznej komory až do dolnćho úvratu. Zväčšujúci tlak v expanznej komore m núti expandujúcu zmes prúdiť späť cez otvorený výfukový ventil Z do valca l, kde tlakom na piest g realizuje druhý pracovný proces. Pokračovaním expanzie zmesi horúcich výfukových plynov tlakovej kvapaliny/vzduchu rastie jej tlak a núti prúdiť zmes otvoreným výfukovým ventilom Z späť do valca 1 a tam tlačí na piest g vo valci a ten sa pohybuje z homćho úvratu do dolného úvratu a rýchlo zväčšuje objem vo valci a stlačená pružina v expanznej komore vystrelí piest Q do horného úvratu a vytlačí expandujúcu zmes horúcich výfukových plynov, tlakovej kvapaliny/ vzduchu z expanznej komory cez otvorený výfukový ventil Z do valca l.Po ukončení expanzného zdvihu je výfukovým zdvihom piesta vytlačená z valca l expandovaná zmes cez otvorený výfukový ventil Z v smere šípky § a po otvorení výfukovej prívierky 13 až do výfukového potrubia 15 v smere šípky.Štvortaktné piestové spaľovacie motory využívajúce energiu paliva aj energiu výfukových plynov v jednom valci majú elektronický riadiaci systém na on-line spriahnuté riadenie, priebežné sledovanie a vyhodnocovanie okamžitého stavu procesu, údajov potrebných na riadenie a efektívnu realizáciu novej koncepcie dvoch druhov pracovných procesov s využívaním dvoch druhov energií.Na vstupe centrálnej riadiacej jednotky Q piestového spaľovacieho motora sú pripojené výstupy snímačov na získanie informácií o- teplote a tlaku oleja ąg dodávaného akčným členom riadiacich jednotiek na časovanie výfukového ventilu 36,- regulácii dodávaného paliva objemu (množstva) vstrekovaného do valca § 35,- regulácii otvárania a zatvárania výfukovej prívierky 52,- regulácii dodávky objemu tlakovej kvapaliny/vzduchu vstrekovanej do expanznej komory g,- regulácii objemu paliva 341 dodávaného do vstrekovača paliva Q,- množstve vzduchu na plnenie valcov a pri kompresii vzduchu vo valci,- expandujúcej zmesi paliva a vzduchu v homom úvrate piesta,- výfukových plynoch, dopravených do expanznej komory,- množstve vzduchu pri konci kompresného zdvihu, počas jeho prúdenia do expanznej komory,- expandujúcej zmesi výfukových plynov a tlakovej kvapaliny/vzduchu v expanznej komore, ako aj výstupy ďalších snímačov polohy kľukového hriadeľa il, systému chladenia, alternátora na výrobu elektrickej energie, hydročerpadla na výrobu tlakového oleja, pre mazanie, pre akčné členy riadiaceho systéľľlLl.Hlavné časti centrálnej riadiacej jednotky štvortaktného piestového spaľovacieho motora, ktorý efektívne realizuje v každom valci novú koncepciu dvoch druhov pracovných procesov vysokotlakového s využívaním energie paliva a nízkotlakového s využívaním energie výfukových plynov, súQ vstrekovač paliva do valca 1, Q vstrekovač tlakovej kvapaliny/vzduchu do expanznej komory 1 O, Q centrálna riadiacajednotka štvortaktného piestového spaľovacieho motora,§ 1 rozvod tlakového paliva, pre vstrekovače paliva, palivový common rail,Zagrozvod tlakového oleja na otváranie výfukového ventilu, olejový common rail,33 rozvod vody na vstrekovanie do expanznej komory vodový common rail, Ľ riadiaca jednotka množstva (objemu) vstrekovaného paliva, 35 regulácia dodávaného tlakového oleja, pre časovanie výfukového ventilu Z, 36 ovládanie časovania otvárania výfukového ventilu Z tlakovým olejom,

MPK / Značky

MPK: F02G 5/02, F02B 47/02

Značky: piestové, spaľovacie, paliva, plynov, výfukových, využívajúce, štvortaktné, energiu, motory

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/11-u6056-stvortaktne-piestove-spalovacie-motory-vyuzivajuce-energiu-paliva-aj-energiu-vyfukovych-plynov.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Štvortaktné piestové spaľovacie motory využívajúce energiu paliva aj energiu výfukových plynov</a>

Podobne patenty