CZ12017U1 - Variabilní pohonná jednotka s rotačním spalovacím motorem s přídavným expansním systémem a apriorní regulací tvorby směsi palivovzduch - Google Patents

Description

(54) Název užitného vzoru:

Variabilní pohonná jednotka s rotačním spalovacím motorem s přídavným expansním systémem a apriorní regulací tvorby směsi palivovzduch □

T“

O

CM

CZ 12017 Ul

Variabilní pohonná jednotka s rotačním spalovacím motorem s přídavným expansním systémem a apriorní regulací tvorby směsi palivo - vzduch

Oblast techniky

Technické řešení se týká variabilní pohonné jednotky s rotačním spalovacím motorem s přídavným expansním systémem a apriorní regulací tvorby směsi palivo - vzduch, která může pracovat jako motor zážehový nebo vznětový s vnitřním spalováním s odpovídajícím způsobem práce motoru dvoudobého s využitím standardních paliv i jako paliva vodíku nebo jiného plynu, případně je provozovatelná jako pohonná jednotka s kumulovaným způsobem práce motoru spalovacího a teplovzdušného a případně i jako samostatně pracující expansní motor vzduchový s využitím tlakového vzduchu.

Dosavadní stav techniky

Dosud jsou v oblasti pohonných jednotek značně rozšířeny motory pístové s vnitřním spalováním, u nichž je s ohledem na rostoucí a přísnější požadavky stále obtížnější dosáhnout a udržet hodnoty exhalací na požadované úrovni při zachování dalších sledovaných technických parametrů včetně účinnosti, která u těchto spalovacích motorů není obecně vysoká. Výrazné zlepšení tepelné účinnosti motoru a kvality spalin, které by vedlo k odstranění katalyzátoru nebo jiných, na podobnou úroveň postavených zařízení, však nelze od dalšího vývoje pístových spalovacích motorů spolehlivě očekávat a lze konstatovat, že pístový spalovací motor již dosáhl v podstatě mezní hranice svého možného vývoje při současných technických a technologických možnostech.

Další skupinu spalovacích motorů tvoří rotační provedení známé například z Wankelova spalovacího motoru. Při nesporně ověřené funkčnosti tohoto provedení však tato konstrukce nepřinesla očekávanou výraznější změnu provozních parametru, neboť v základním principu zde byl převzat cyklický přerušovaný proces spalování tak, jak probíhá v pístovém motoru a pouze modifikuje kinematický pohyb posuvných částí pístového motoru na pohyb rotační. Dokázala se však možnost spalovací proces realizovat na oběžné rotační dráze a postupně byla zrealizována celá řada dalších modifikací rotačních motoru, jako např. Sarich -motor, Karol - Ansdale - motor, Rotorcam - motor a mnoho dalších, kterým však zůstaly společné nevýhody spočívající zejména ve značně komplikovaných konstrukcích, jak po stránce kinematické, tak i po stránce technologické, téměř vždy vykazující značné třecí ztráty a nevyhnutelné rychlé opotřebení pohyblivých dílů, které ve svém důsledku omezují dosažení vyššího počtu otáček a podstatně zkracují životnost stroje. Z uvedených důvodů je nutné v dalším zdokonalování konstrukcí a hledání alternativy k pístovému motoru odstranit cyklický přerušovaný způsob práce s odstraněním pístu a klikového ústrojí v jakýchkoliv skiytých podobách, neboť klikové ústrojí sloužící ke konverzi tlaku plynu v mechanickou práci na způsob klikového mechanismu u pístových motorů využívá k tvorbě točivého momentu pouze tangenciální složku tlakové síly, přičemž složka radiální je zachycována bez užitku v uložení klikového hřídele.

Jako nejslibnější výchozí konstrukce ke stavbě objemově pracujícího rotačního spalovacího motoru se nabízí rotační stroj sestávající ze statorové skříně, v němž je excentricky uložen rotor, ve kterém jsou podélně, např. v drážkách volně a kluzně uložena křídla, která jsou při rotačním pohybu v důsledku odstředivé síly přitlačována na vnitřní oběžnou plochu statorové skříně, přičemž dochází k tvorbě jednotlivých kompresních komor, ve kterých nastává v průběhu otáčení změna objemu. Takto řešené rotační stroje však vykazují nedostatky v podobě strmě rostoucí odstředivé síly s rostoucím počtem otáček, která negativně ovlivňuje opotřebení styčných koncových ploch křídel s vnitřní oběžnou plochou vnitřního pracovního prostoru statorové skříně a vede k omezeným možnostem takto provedené konstrukce strojů využít v oblasti vyšších otáček, které jsou v mnoha případech žádány a pro vybraná technická řešení ajejich správnou funkci nezbytné.

- 1 CZ 12017 Ul

Vzhledem k těmto nedostatkům je velmi obtížné a technologicky náročné aplikovat tyto konstrukce rotačních strojů pro spalovací motory s vnitřním spalováním, které se vyznačují vysokým tepelným zatížením a teprve konstrukční modifikací tohoto stroje popsaného ve zveřejněné přihlášce vynálezu CZ-PV 1999-1593 je možno vytvořit konstrukci rotačního motoru s vnitřním spalováním, která dovoluje shora popsané nedostatky eliminovat a která nabízí možnost realizace pohonných jednotek se spalovacím motorem i v kombinaci s přídavnými expansními stupni popsanými v užitném vzoru CZ 11151 U. U takovéto pohonné jednotky se dále otevírá možnost aplikace apriorního regulačního systému schopného optimálního stanovení stechiometrického složení směsi palivo-vzduch, což u standardních provedení spalovacích motorů je velmi obtížně řešitelné a technická řešení se uchylují k systému zpětné regulace pomocí λ-sondy. Nevýhody tohoto systému spočívají však především v časové prodlevě mezi vyhodnocením kvality spalin λ-sondou a jejím zpětným signálem ovlivňujícím optimální složení směsi pro okamžitý požadovaný režim chodu motoru.

Cílem technického řešení je vytvoření takové pohonné jednotky, která by jednak umožňovala realizaci rotačního motoru s vnitřním spalováním s výrazným minimem výše uvedených nedostatků a která by umožňovala provoz i v kombinaci s přídavnými expansními stupni a u které by byl aplikovatelný plnohodnotný apriorní regulační systém umožňující v každém okamžiku přesné stanovení složení směsi palivo - vzduch a dosažení jejího homogenního hoření s optimálními hodnotami spalin v každém režimu chodu spalovacího motoru, které jinak musí být dodatečně eliminovány přídavným zařízením, například katalyzátorem.

Podstata technického řešení

Shora uvedené nevýhody ve velké míře odstraňuje a cíl technického řešení splňuje variabilní pohonná jednotka s rotačním spalovacím motorem s přídavným expansním systémem a apriorní regulací tvorby směsi palivo-vzduch, sestávající z rotačního dvoudobého spalovacího motoru s oběžnými křídly volně uloženými na centrální hřídeli procházející centrální osou vnitřního pracovního prostoru motoru vytvořeného ve statorové skříni a které jsou unášeny excentricky vzhledem k centrální ose uloženými unášeči, přičemž mezi protilehlými koncovými plochami sousedních oběžných křídel jsou vytvářeny pracovní komory měnící při otáčení rotační části motoru svůj objem v důsledku excentrického uložení unášečů a přičemž nejmenší objem pracovní komory je vytvořen v pozici horní úvratě motoru a největší objem pracovní komory je vytvořen v pozici dolní úvratě motoru a kde vnitřní prostor rotoru je hermeticky uzavřen v axiálních směrech a který je opatřen přívodními a výstupními kanály vytvořenými ve statorové skříni motoru spolu s regulačními prvky a zapalovací nebo žhavicí soustavou se vstřikovací paliva odpovídající druhu pracovního procesu spalovacího motoru zážehového nebo vznětového podle vynálezu, jehož podstata spočívá vtom, že na primární výfukový kanál rotačního dvoudobého spalovacího motoru je napojen vstup primárního expansního stupně expansního systému, jehož výstup je vyveden do atmosféry a/nebo do vstupu následujícího expansního stupně expansního systému s výstupem do atmosféry, přičemž na primární výfukový kanál rotačního dvoudobého spalovacího motoru je za škrticím prvkem primárního výfukového kanálu na straně přivrácené k expansnímu systému napojen sekundární výfukový kanál ústící přes alespoň jeden regulační prvek sekundárního výfukového kanálu do pracovního prostoru motoru a přičemž mezi vyústěním primárního výfukového kanálu v místě dolní úvratě motoru a vyústěním sekundárního výfukového kanálu před horní úvratí motoru jsou v těsné blízkosti vyústění primárního výfukového kanálu přivedena ústí vyplachovacího kanálu opatřeného na svém opačném konci regulačním prvkem vyplachovacího vzduchu a napojeného na zásobník vyplachovacího vzduchu a ústí primárního plnicího kanálu opatřeného na svém opačném konci regulačním prvkem plnicího vzduchu a napojeného na zásobník plnicího vzduchu a přičemž v zóně horní úvratě motoru ve směru otáčení oběžných křídel je dále umístěna vstřikovací a zapalovací soustava motoru zážehového dvoudobého a/nebo vstřikovací a žhavicí soustava motoru vznětového dvoudobého a ústí externího přívodního kanálu vysokotlakého vzduchu s multifunkčním regulačním prvkem vysokotlakého vzduchu. Regulační prvek plnicího vzduchu

-2CZ 12017 Ul je tvořen analogovým nebo diskrétním dávkovačem množství plnicího vzduchu s vyhodnocovacím systémem teploty a tlaku plnicího vzduchu a regulační prvek vyplachovacího vzduchu je tvořen analogovým nebo diskrétním dávkovačem množství vyplachovacího vzduchu s vyhodnocovacím systémem tlaku zbytkového obsahu zplodin ve vyplachované komoře motoru. Vnitřní průřezy všech plnicích, vyplachovacích a výfukových kanálů variabilní pohonné jednotky jsou s výhodou vytvořeny do tvaru v podstatě plochého rovnoběžníku, jehož šířka je tvořena podstatnou částí celkové axiální šířky vnitřního spalovacího prostoru motoru a vnitřních pracovních prostorů expansních stupňů, přičemž zbytkovými úseky přivrácenými k protilehlým axiálním stěnám vnitřních pracovních prostorů motoru nebo vnitřních pracovních prostorů expansních stupňů jsou tvořeny ochranné technologické zóny. Spalovací motor a expansní systém jsou s výhodou uspořádány na společné centrální ose a společném výkonnostním hřídeli a na společném výkonnostním hřídeli je alternativně uspořádán kompresor vzduchového systému zásobníků vzduchu a generátor elektrického proudu.

Výhody variabilní pohonné jednotky podle technického řešení spočívají především vtom, že převážná část tepla generovaného spalovacím motorem je konvergována na energii mechanickou. Konstrukce pohonné jednotky umožňuje jednosměrný a kontinuální průtok energického média jak v přípravné plnicí a kompresní fázi pracovního cyklu, tak i v expansní a výfukové fázi pracovního cyklu. Plnicí a kompresní fáze probíhá na tzv. studené straně motoru a expansní a výfuková fáze probíhá na tzv. horké straně motoru. Spalovací motor pohonné jednotky nevyžaduje žádné olejové mazání oběžných kontaktních ploch, což dovoluje jeho provozování za podstatně vyšších teplot vnitřního pracovního prostoru, než je tomu u motorů pístových a vede ke změně podmínek hoření směsi paliva se vzduchem na horké straně motoru a poskytuje tak větší manipulační prostor k modifikaci kvality spalin až k případnému odstranění katalyzátoru. Jednosměrný průtok energického média pak dovoluje u dvoudobé verze spalovacího motoru provozování pohonné jednotky střídavě jako motoru spalovacího zážehového či vznětového i v kombinaci se způsobem práce motoru teplovzdušného, při němž je energetické pracovní médium, tvořené v tomto případě vzduchem, zkomprimováno za studená na vysoký tlak a je dále vedeno do prostoru horké strany motoru, kde po ohřátí zvyšuje svou vnitřní energii a při další expansi odevzdává více energie, než bylo zapotřebí kjeho kompresi a z rozdílu těchto energetických množství rezultuje dále využitelný pozitivní přírůstek práce. Tímto způsobem lze udržovat stěny vnitřního pracovního prostoru statorové skříně na horké straně motoru v pásmu teplot v takových mezích, že jednak není nezbytně nutná instalace nezávislého chladícího okruhu a je možné tento kumulovaný způsob práce pohonné jednotky jednoduchým způsobem regulovat pomocí předem nastavitelných odpovídajících regulačních prvků, kdy například během jedné otáčky pracuje několik pracovních komor motoru v procesu spalovacím a několik pracovních komor motoru v procesu teplovzdušném a tento způsob práce lze periodicky měnit tak, aby docházelo ke stejnoměrnému tepelnému zatížení jednotlivých pracovních komor motoru.

Kromě výše zmíněných výhod je možné dále využít přídavného expansního systému, který lze napojit na výfukovou část spalovacího motoru a jehož pomocí lze docílit prodloužené expanse výfukových plynů tvořících energetické médium k dodatečnému odběru točivého momentu z kteréhokoli expansního stupně.

Konstrukce pohonné jednotky podle technického řešení dále umožňuje apriorní regulaci tvorby směsi palivo - vzduch v optimálním stechiometrickém poměru a plynulou regulaci kompresního poměru v závislosti na požadovaném výkonu motoru v celém rozsahu výkonnostního spektra. U takto provedené pohonné jednotky lze předpokládat výrazné zvýšení tepelné účinnosti a značné zlepšení kvality spalin při použití standardních pohonných hmot včetně alternativních paliv, jako je vodík, bioplyn apod. Vhodnost provedení pohonné jednotky pro pohon vodíkem nebo jinými plyny či palivy s extrémně rychlým explozním procesem hoření především spočívá vtom, že při průběhu pracovní komory horní úvrati motoru nedochází kjejímu zpomalení či zastavení tak, jak je tomu u motorů pístových, ale pracovní komora s explozivní směsí se otáčí neměnnou obvodovou rychlostí a konstrukce motoru dovoluje posunutí místa vstřiku vodíku a jeho zážehu ve směru otáčení za horní úvrať motoru až do polohy, kdy odběr točivého momentu

-3 CZ 12017 Ul dosahuje nej optimálnějšího účinku. Ze stejného důvodu se nabízí možnost při pohonu benzínem realizovat hoření směsi v oblasti detonačního hoření.

Využití pohonné jednotky je směrováno jak pro oblast stacionárních zařízení, tak i pro pohon dopravních prostředků, či v jiném průmyslovém využiti, kde je zapotřebí autonomního pohonu.

Přehled obrázků na výkresech

Na připojených výkresech jsou pro objasnění technického řešení znázorněny základní konstrukční prvky pohonné jednotky, kde obr. 1 představuje v řezu sestavu pohonné jednotky s rotačním spalovacím dvoudobým motorem zážehovým ajeho propojení s expansním systémem a zásobníky vzduchu a obr. 2 představuje v řezu provedení rotačního spalovacího dvoudobého motoru vznětového. Na obr. 3 je znázorněno v příčném řezu výhodné provedení příčného průřezu kanálů propojujících jednotlivé funkční díly pohonné jednotky a na obr.4 je znázorněna v příčném řezu modifikace kanálového průřezu s podélnými přepážkami. Obr. 5 představuje ve schématickém axonometrickém pohledu variabilní pohonnou jednotku podle technického řešení v možném kompaktním provedení na společné výkonnostní hřídeli.

Příklad provedení technického řešení

Na obr. 1 je v částečném řezu znázorněno příkladné provedení variabilní pohonné jednotky podle technického řešení, kde je patrný rotační dvoudobý spalovací motor 2 s oběžnými křídly 2.2 s excentricky uloženými unášeči 2,4 a vyznačeným směrem s otáčení, které jsou uloženy ve vnitřním pracovním prostoru 2.1 motoru. V tomto případě se jedná o rotační spalovací motor dvoudobý opatřený v zóně své horní úvratě vstřikovací a zapalovací soustavou 4. V zóně dolní úvratě motoru je patrno ústí primárního výfukového kanálu J_, ve kterém je před napojením sekundárního výfukového kanálu 1,1 umístěn škrticí prvek 1.3 primárního výfukového kanálu. Sekundární výfukový kanál 1,1 je přiveden do vnitřního spalovacího prostoru 2.1 do těsné blízkosti před horní úvratí motoru a v místě svého ústí je opatřen alespoň jedním regulačním prvkem 1,2 sekundárního výfukového kanálu. Ve směru s otáčení oběžných křídel 2.2 je v těsné blízkosti za vstřikovací a zapalovací soustavou 4 uloženo ústí externího přívodu 3 vysokotlakého vzduchu opatřeného multifunkčním regulačním prvkem 3.1 vysokotlakého vzduchu. V těsné blízkosti ústí primárního výfukového kanálu J. za dolní úvratí motoru je patro ústí vyplachovacího kanálu 5, jehož opačný konec je zaveden do zásobníku 5.2 vyplachovacího vzduchu aje opatřen regulačním prvkem 5.1 vyplachovacího vzduchu tvořeného analogovým nebo diskrétním dávkovačem množství vyplachovaného vzduchu s vyhodnocovacím systémem tlaku zbytkového obsahu zplodin ve vyplachované komoře motoru. V těsné blízkosti ústí vyplachovacího kanálu 5 do vnitřního pracovního prostoru 2,1 motoru je umístěno ústí primárního plnicího kanálu 6, jehož opačný konec je zaveden do zásobníku 6.2 plnicího vzduchu aje opatřen regulačním prvkem 6.1 primárního plnicího kanálu tvořeného analogickým nebo diskrétním dávkovačem množství plnicího vzduchu s vyhodnocovacím systémem teploty a tlaku plnicího vzduchu. Primární výfukový kanál J je svým výstupem napojen na vstup 9 primárního expansního stupně

7.1 expansního systému 7, jehož výstup JO je vyveden do atmosféry anebo je výstup JO primárního expansního stupně 7.1 napojen na vstup 99.n následujícího expansního stupně 7.n expansního systému 7, jehož výstup 10,n je vyveden do atmosféry, přičemž počet jednotlivých expansních stupňů expansního systému 7 je libovolný. Vstupní zóny jednotlivých expansních stupňů jsou opatřeny externími ohřívači 11,11a částečně vyexpandovaného energetického média, které jsou s výhodou tvořeny elektrickými odporovými systémy. Mezi výstupem 10 primárního expansního stupně 7, J z vnitřního pracovního prostoru 8 primárního expansního stupně 7.1 a vstupem 9.n následujícího expansního stupně 7.n do vnitřního pracovního prostoru 8.n následujícího expansního stupně 7.n je vytvořena difusorová zóna.

Na obr. 2 je znázorněno v částečném řezu provedení rotačního spalovacího dvoudobého motoru 2 vznětového, který je uzpůsoben pro napojení na zásobník 5.2 vyplachovacího vzduchu pomocí

-4CZ 12017 Ul vyplachovacího kanálu 5 a na zásobník 6.2 plnicího vzduchu pomocí plnicího kanálu 6 včetně napojení sekundárního výfukového kanálu 1,1 a napojení primárního výfukového kanálu i na expansní systém 7. V zóně horní úvratě motoru je v tomto případě umístěna vstřikovací a žhavicí soustava 4.1 pro způsob práce motoru vznětového, v jejíž blízkosti je ve směru s otáčení za horní úvratí motoru umístěno ústí externího přívodu 3 vysokotlakého vzduchu s multifunkčním regulačním prvkem 3.1 vysokotlakého vzduchu. Pro obě provedení rotačních spalovacích motorů podle obr. 1 a obr. 2 společně platí, že ve směru s otáčení oběžných křídel 2,2 lze část vnitřního pracovního prostoru 2.1 motoru vymezenou ústím primárního výfukového kanálu I a vstřikovací a zapalovací soustavou 4 motoru zážehového nebo vstřikovací a žhavicí soustavou 4.1 motoru vznětového označit jako studenou stranu motoru, ve které probíhá plnicí a-kompresní pracovní fáze a opačnou část vnitřního pracovního prostoru 2,1 motoru, ve které probíhá pracovní fáze hoření a expanse jako horkou stranu motoru.

Obr. 3 představuje výhodné provedení příčných průřezů 12 plnicích, vyplachovacích a výfukových kanálů, kterými jsou propojeny jednotlivé funkční části variabilní pohonné jednotky, jejichž příčný průřez 12 o šířce a má v podstatě tvar plochého rovnoběžníku, který umožňuje rovnoměrný a optimální průchod energetického média zasahující svým energetickým potenciálem podstatnou část axiální šířky c vnitřního pracovního prostoru 2.1 motoru i vnitřních pracovních prostorů 8, 8.n expansních stupňů expansního systému 7, přičemž zbytkové úseky c_b c₂ přivrácené k protilehlým axiálním stěnám vnitřního pracovního prostoru 2.1 motoru nebo k protilehlým axiálním stěnám vnitřních pracovních prostorů 8, 8.n expansních stupňů tvoří ochranné technologické zóny.

Obr. 4 znázorňuje alternativní provedení plnicích, vyplachovacích i výfukových kanálů pohonné jednotky, kde je základní šířka a příčného průřezu 12 kanálu zachována ve shodě s provedením podle obr. 3, avšak příčný průřez 12 kanálu je navíc rozdělen podélnými přepážkami 13, 13.1... 13.n tvořícími tak jednotlivé paralelní kanály 12,1, 12.2...12.n, v nichž je možné umístit více regulačních prvků či ohřívačů a nebo je vzájemně kombinovat za účelem jemnější a přesnější regulace procházejícího energetického média.

Obr. 5 představuje ve schematickém axonometrickém pohledu příkladné a výhodné provedení variabilní pohonné jednotky podle technického řešení, kde jak rotační spalovací motor 2, tak i expansní systém 7 a případně i kompresor 14 a generátor 16 elektrického proudu jsou modulárně uspořádány na společném výkonnostním hřídeli 15 tvořící tak kompaktní celek.

Funkce variabilní pohonné jednotky podle technického řešení je podmíněna, využitím kinematických vlastností rotačního stroje popsaného ve zveřejněné přihlášce vynálezu CZ-PV 1999-1593 se všemi jeho příznivými vlastnostmi a možnostmi, které tento rotační stroj nabízí a u něhož lze využít dodatečného napojení expansního systému popsaného v užitném vzoru CZ 11151 U a případně s výhodným využitím konstrukce kompresoru podle zveřejněné přihlášky vynálezu CZPV 1999-2842. Zejména konstrukce kinematického systému vykazující minimum třecích ztrát, kontinuální chod rotačních částí stroje a velmi účinný odběr točivého momentu spolu s jednosměrným nepřerušovaným tokem energetického média umožňuje realizaci variabilní pohonné jednotky podle technického řešení ve verzích zážehových i vznětových využívajících standardních paliv i jako paliva vodíku, bioplynu či jiných paliv podobných vlastností.

Vlastní funkci variabilní pohonné jednotky je pro bližší objasnění technického řešení možno rozdělit na popis funkce rotačního spalovacího motoru 2 se způsobem práce motoru dvoudobého jako samostatné hnací jednotky, dále pak funkci tohoto rotačního spalovacího motoru 2 při způsobu práce motoru tlakovzdušného a nakonec ve funkci kumulované se střídajícím se procesem spalovacím a teplovzdušným.

S pomocí obr. 1 funkce rotačního spalovacího motoru 2 se spalovacím procesem spočívá v tom, že po nuceném roztočení oběžných křídel 2.2 motoru a při otevřeném vyplachovacím kanálu 5 a při otevřeném plnicím kanálu 6 nastává na studené straně motoru v odpovídajících otáčejících se pracovních komorách fáze plnění a komprese. Následnou aktivací vstřikovací části vstřikovací a zapalovací soustavy 4 motoru zážehového nebo aktivací vstřikovací části vstřikovací a žhavicí

- 5 CZ 12017 Ul soustavy 4.1 motoru vznětového je vpraveno palivo a takto vzniklá směs paliva se vzduchem je zažehnuta, přičemž v odpovídajících pracovních komorách nastává na horké straně motoru expansní a výfuková fáze ukončená výplachem pracovní komory vyplachovacím vzduchem přivedeným z vyplachovacího kanálu 5 při současně otevřeném primárním výfukovém kanálu L Dokonalé vypláchnutí pracovní komory na konci výfukové fáze je základním předpokladem k úspěšnému provádění dále popsané apriorní regulace tvoření směsi paliva se vzduchem o stechiometrickém složení, kde první regulační krok tvoří signál určující požadovaný výkon motoru například odebraný z polohy akceleraěního ovladače a tímto signálem je prostřednictvím regulačního prvku 6.1 plnicího vzduchu a plnicího kanálu 6 přivedeno potřebné množství vzduchu do odpovídající pracovní komory. Takto určené a přesně dávkované množství vzduchu s vyhodnocenou teplotou a tlakem současně určuje potřebné množství vpravovaného paliva vstřikovací částí vstřikovací a zapalovací soustavy 4, přičemž právě takto určené množství paliva a vzduchu odpovídá stechiometrickému složení směsi, která umožňuje proces homogenního hoření stechiometrické směsi s minimálním obsahem škodlivých exhalací. Nebude-li jiný pracovní proces předurčen, zůstává v trvalé činnosti pouze rotační spalovací motor 2 v režimu spalovacího procesu a odvod nadbytečného tepla z vnitřního pracovního prostoru 2.1 motoru obstarává vnější chladící oběh 2.3 motoru standardním způsobem, přičemž odběr točivého momentu se děje pouze z výkonnostní hřídele rotačního spalovacího motoru 2.

Pro samostatnou funkci rotačního spalovacího motoru 2 při způsobu práce motoru tlakovzdušného je zapotřebí ponechat regulační prvek 1.2 sekundárního výfukového kanálu 1.1 uzavřený a uzavřen zůstává i vyplachovací kanál 5 a plnicí kanál 6. Vysokotlaký vzduch přiváděný otevřeným externím přívodem 3 vysokotlakého vzduchu postupně expanduje a primárním výfukovým kanálem i dále odchází do atmosféry anebo do vstupu 9 primárního expansního stupně 7.1 expansního systému 7, kde jako energetické médium dále konverguje na mechanickou práci s možností další konverze v dalších expansních stupních expansního systému 7. Tuto činnost motoru čistě tlakovzdušného je za určitých podmínek a požadavků na úplnou expansi energetického média nutno podpořit jeho ohřevem, aby nedošlo kpodkročení jeho kritické teploty. Při průchodu pracovní komory dolní úvratí motoru uniká část vyexpandovaného vzduchu do primárního výfukového kanálu 1 a zbytkové množství vzduchu v této pracovní komoře je po jejím uzavření opět komprimováno, čímž je vzduch zahříván na určitou teplotu, která například při kompresním poměru 10:1 činí okolo 490 °C. Po průběhu této pracovní komory horní úvratí motoru je do takto zahřátého zkomprimovaného vzduchu vpraveno přiměřené množství studeného vzduchu externím přívodem 3 vysokotlakého vzduchu, který se smícháním s komprimovaným vzduchem ohřeje a zvýší se jeho tlak, pod kterým pak vykonává potřebnou expansní práci. Tímto způsobem lze velmi malým množstvím vysokotlakého vzduchu získat značný expansní potenciál, aniž by došlo při déletrvajícím běhu stroje kpodkročení kritické teploty vzduchu. Energie potřebná k tomuto termodynamickému autoohřevu je získávána ze samotného tlakového potenciálu vysokotlakého vzduchu, čímž odpadá nutnost jeho ohřívání přídavným exotermickým spalovacím procesem. Regulaci výkonu takto provozovaného tlakovzdušného rotačního motoru lze provádět snížením nebo zvýšením množství zbytkového vzduchu v pracovní komoře v její kompresní fázi. Při potřebě snížit teplotu komprimovaného zbytkového vzduchu v pracovní komoře lze dosáhnout snížením jeho množství přesně definovaným otevřením regulačního prvku 1,2 sekundárního výfukového kanálu 1.1, přičemž částečné množství vzduchu unikne z pracovní komory do sekundárního výfukového kanálu 1.1 a dále pak do expansního systému 7. Při potřebě zvýšit teplotu zbytkového komprimovaného vzduchu lze použít škrticího prvku 1,3 umístěného v primárním výfukovém kanálu 1 před napojením na sekundární výfukový kanál 1.1, čímž lze snížit množství expandovaného vzduchu unikajícího do primárního výfukového kanálu 1 a tím naopak zvýšit zbytkové množství vzduchu ve sledované pracovní komoře, kde je pak při její kompresní fázi dosaženo požadované vyšší teploty sloužící k ohřátí vysokotlakého vzduchu a tím i zvýšeného okamžitého výkonu motoru podle potřeby. Tuto regulaci je možno provádět v širokých mezích, přičemž je zaručena minimální spotřeba vysokotlakého vzduchu ze vzduchového systému, což má význam zejména u trakčním pohonů. U tlakovzdušného motoru lze dále využít vyexpandovaný vzduch odcházející primárním

-6CZ 12017 Ul výfukovým kanálem i a obsahující ještě značné množství tlakové energie vhodné k získání další expansní práce. Z primárního výfukového kanálu i je proto dále možné přivádět tento vyexpandovaný vzduch do expansního systému 7, při jehož průtoku dochází v každém expansním stupni k další expansi provázené však výrazným snížením jeho teploty. Proto je zapotřebí i v tomto případě expandující studený vzduch předem ohřát na přiměřenou teplotu, avšak dané konstrukční provedení přidaného expansního systému 7 neposkytuje možnost zpětné komprese části vyexpandovaného vzduchu, která je potřebná kjeho autoohřevu na termodynamickém principu. Proto je využito externích ohřívačů li, 1ÍQ umístěných na vstupech 9, 9n expansních stupňů expansního systému 7 a tímto způsobem lze dosáhnout až úplné expanse a využít tak celého energetického potenciálu vysokotlakého vzduchu sJibovolně vysokým tlakovým maximem, aniž by bylo nutné přivádět teplo potřebné kjeho expansi přídavným spalovacím procesem doprovázeným spotřebou paliva.

Jako další způsob provozu pohonné jednotky podle technického řešení je možné nastavení tzv. kumulovaného pracovního procesu, který je složen ze střídání funkce spalovacího motoru a funkce motoru teplovzdušného. Funkce motoru teplovzdušného spočívá ve vyřazení spalovacího procesu vynecháním přívodu paliva, přičemž proces plnění plnicím vzduchem a proces výplachu vyplachovacím vzduchem zůstává identický s funkcí motoru spalovacího. Zdrojem tepla pro práci teplovzdušného motoru je množství tepla akumulovaného na horké straně motoru získaného z předchozího spalovacího procesu, které je dále využito k ohřevu energetického média, v tomto případě čistého vzduchu, pro další expansní práci v napojeném expansním systému 7. Tento postup je především umožněn jednosměrným tokem energetického média vnitřním pracovním prostorem 2.1 motoru a dále přes primární výfukový kanál 1 k dalšímu využití opět v jednosměrně průtočném expansním systému 7. Odběr točivého momentu je možný z výkonnostní hřídele kteréhokoliv expansního stupně nebo z výkonnostní hřídele rotačního spalovacího motoru 2, které jsou vzájemně propojeny pomocí převodů. Při takto provozované pohonné jednotce nenastává ztráta tepla vnějším chladícím oběhem 2.3, ale veškeré teplo generované spalovacím procesem je dodatečně využito k tvorbě točivého momentu.

Vztahové znaky:

- primární výfukový kanál

- rotační spalovací motor

2.1 - vnitřní pracovní prostor motoru

2.2 - oběžná křídla

2.3 - chladící oběh

2.4 - unášeče oběžných křídel

- externí přívodní kanál vysokotlakého vzduchu

3.1 - multifunkční regulační prvek

- vstřikovací a zapalovací soustava zážehového motoru

4.1 - vstřikovací a žhavicí soustava vznětového motoru

- vyplachovací kanál

5.1 - regulační prvek vyplachovacího vzduchu

5.2 - zásobník vyplachovacího vzduchu

- kanál plnicího vzduchu

6.1 - regulační prvek plnicího vzduchu

6.2 - zásobník plnicího vzduchu

- expansní systém

7.1 - primární expansní stupeň

7. n - následující expansní stupeň

- vnitřní pracovní prostor primárního expansního stupně

8. n - vnitřní pracovní prostor následujícího expansního stupně

- vstup primárního expansního stupně

9. n - vstup následujícího expansního stupně

- výstup primárního expansního stupně

-7 CZ 12017 Ul lO.n - výstup následujícího expansního stupně

- externí ohřívač energetického média primárního expansního stupně ,n - externí ohřívač energetického média následujícího expansního stupně

- průřez kanálů

12.1, 12.2...12.n - paralelní kanály

13,13.1...13.n - podélné přepážky

- kompresor vzduchového systému

- společný výkonnostní hřídel

- generátor elektrického proudu s - směr otáčení oběžných křídel a - axiální šířka průřezu kanálů c - axiální šířka vnitřního pracovního prostoru motoru

Cj, c₂ - zbytkové úseky technologických zón.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Variabilní pohonná jednotka s rotačním spalovacím motorem s přídavným expansním systémem a apriorní regulací tvorby směsi palivo - vzduch, sestávající z rotačního dvoudobého spalovacího motoru (2) s oběžnými křídly (2.2) volně uloženými na centrální hřídeli procházející centrální osou vnitřního pracovního prostoru (2.1) motoru vytvořeného ve statorové skříni a které jsou unášeny excentricky vzhledem k centrální ose uloženými unášeči (2.4), přičemž mezi protilehlými koncovými plochami sousedních oběžných křídel (2.2) jsou vytvářeny pracovní komory měnící při otáčení rotační části motoru svůj objem v důsledku excentrického uložení unášečů (2.4) a přičemž nejmenší objem pracovní komory je vytvořen v pozici horní úvratě motoru a největší objem pracovní komory je vytvořen v pozici dolní úvratě motoru a kde vnitřní prostor rotoru je hermeticky uzavřen v axiálních směrech a který je opatřen přívodními a výstupními kanály vytvořenými ve statorové skříni motoru spolu s regulačními prvky a zapalovací nebo žhavicí soustavou se vstřikovači paliva odpovídající druhu pracovního procesu spalovacího motoru zážehového nebo vznětového, vyznačující se tím, že na primární výfukový kanál (1) rotačního dvoudobého spalovacího motoru (2) je napojen vstup (9) primárního expansního stupně (7.1) expansního systému (7), jehož výstup (10) je vyveden do atmosféry a/nebo do vstupu (9.n) následujícího expansního stupně (7.n) expansního systému (7) s výstupem (lO.n) do atmosféry, přičemž na primární výfukový kanál (1) rotačního dvoudobého spalovacího motoru (2) je za škrticím prvkem (1.3) primárního výfukového kanálu (1) na straně přivrácené k expansnímu systému (7) napojen sekundární výfukový kanál (1.1) ústící přes alespoň jeden regulační prvek (1.2) sekundárního výfukového kanálu do pracovního prostoru (2.1) motoru a přičemž mezi vyústěním primárního výfukového kanálu (1) v místě dolní úvratě motoru a vyústěním sekundárního výfukového kanálu (1.1) před horní úvrati motoru jsou v těsné blízkosti vyústění primárního výfukového kanálu (1) přivedena ústí vyplachovacího kanálu (5) opatřeného na svém opačném konci regulačním prvkem (5.1) vyplachovacího vzduchu a napojeného na zásobník (5.2) vyplachovacího vzduchu a ústí primárního plnicího kanálu (6) opatřeného na svém opačném konci regulačním prvkem (6.1) plnicího vzduchu a napojeného na zásobník (6.2) plnicího vzduchu a přičemž v zóně horní úvratě motoru ve směru (s) otáčení oběžných křídel (2.2) je dále umístěna vstřikovací a zapalovací soustava (4) motoru zážehového a/nebo vstřikovací a žhavicí soustava (4.1) motoru vznětového dvoudobého a ústí externího přívodu (3) vysokotlakého vzduchu s multifunkčním regulačním prvkem (3.1) vysokotlakého vzduchu.
2. 2. Variabilní pohonná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že regulační prvek (6.1) plnicího vzduchu je tvořen analogovým nebo diskrétním dávkovačem množství plnicího vzduchu s vyhodnocovacím systémem teploty a tlaku plnicího vzduchu.

   -8CZ 12017 Ul
3. 3. Variabilní pohonná jednotka podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že regulační prvek (5.1) vyplachovacího vzduchuje tvořen analogovým nebo diskrétním dávkovačem množství vyplachovacího vzduchu s vyhodnocovacím systémem tlaku zbytkového obsahu zplodin ve vyplachované komoře motoru.
4. 4. Variabilní pohonná jednotka podle nároků 1,2a 3, vyznačující se tím, že vnitřní průřezy (12) všech plnicích, vyplachovacích a výfukových kanálů variabilní pohonné jednotky jsou s výhodou vytvořeny do tvaru v podstatě plochého rovnoběžníku, jehož šířka (a) je tvořena podstatnou částí celkové axiální šířky (c) vnitřního spalovacího prostoru (2.1) motoru a vnitřních pracovních prostorů (8, 8.n) expansních stupňů, přičemž zbytkovými úseky (ci, c₂) přivrácenými k protilehlým axiálním stěnám vnitřních pracovních prostoru (2.1) motoru nebo vnitřních pracovních prostorů (8, 8.n) expansních stupňů jsou tvořeny ochranné technologické zóny.
5. 5. Variabilní pohonná jednotka podle nároků 1,2, 3a 4, vyznačující se tím, že rotační spalovací motor (2) a expansní systém (7) jsou s výhodou uspořádány na společném výkonnostním hřídeli (15).
6. 6. Variabilní pohonná jednotka podle nároku 5, vyznačující se tím, že na společném výkonnostním hřídeli (15) je alternativně uspořádán kompresor (14) vzduchového systému a generátor (16) elektrického proudu.