CZ20021326A3 - Four-stroke rotary internal-combustion engine - Google Patents

Description

Vynález se týká variabilní pohonné jednotky s rotačním spalovacím motorem čtyřdobým s přídavným expanzním systémem a apriorní regulací tvorby směsi palivo - vzduch, u níž může rotační spalovací motor pracovat jako motor zážehový nebo vznětový s vnitřním spalováním s odpovídajícím způsobem práce motoru čtyřdobého, šestidobého, osmidobého až obecně n-dobého s využitím standardních paliv i jako paliva vodíku nebo jiného plynu.

Dosavadní stav techniky

V oblasti autonomních pohonných jednotek jsou nejčastěji používány pístové spalovací motory s vnitřním spalováním a s otevřeným pracovním procesem, které lze dále rozdělit na motory dvoudobé a čtyřdobé. Dvoudobé spalovací motory pístové se používají velmi zřídka, protože se vzhledem k dvojnásobnému počtu explozí silně přehřívají, nelze u nich používat katalyzátory vzhledem k vysokým teplotám spalin a jsou proto klasifikovány jako motory neekologické. Naproti tomu čtyřdobé spalovací motory pístové vykazují daleko lepší ovladatelnost procesu hoření směsi ve válci a vzhledem k nižší teplotě spalin lze jejich kvalitu vylepšit katalyzátorem. Pro menší výkony se používají motory čtyřdobé zážehové, které vykazují lepší dynamiku chodu a pracují s vyššími otáčkami, což umožňuje stavbu těchto motorů s nízkou hmotností. Pro výkony vyšší až vysoké v oblasti nad 400 kW až do několika MW se většinou používají motory vznětové, které se vyznačují nejvyšším točivým momentem a vysokým výkonem v oblasti nižších otáček, což je opět výhodné vzhledem k vysoké hmotnosti jejich pohyblivých částí. Tyto motory však pracují s větším objemem válců a kvalitu spalin lze u nich obtížně vylepšovat a zejména pak odstaňovat oxidy dusíku. Pístové spalovací motory však vykazují obecně nízkou tepelnou účinnost a jejich oscilující části jsou zdrojem silných vibrací, které omezují maximálně dosažitelnou hranici otáček a tím i jejich maximální dosažitelný výkon na jednotku váhy a objemu.

Všeobecně známý Wankelův rotační spalovací motor s krouživým pístem odstraňuje vliv oscilačních částí způsobujících vibrace a vyznačuje se tichým a vyváženým chodem i v oblasti vysokých otáček. Avšak vzhledem k jiným nedostatkům jeho konstrukce nelze stavět jednotky o vyšším objemu, což značně omezuje jeho využití a jeho vysoká spotřeba paliva je v současnosti velkým nedostatkem tohoto motoru.

Jako podstatně vyspělejší řešení rotačního spalovacího motoru lze nalézt u variabilní pohonné jednotky s dvoudobým rotačním spalovacím motorem popsané vCZ 12017 U, využívajícím takzvanou apriorní regulaci tvorby směsi palivo - vzduch, která dále nabízí možnost využití prodloužené expanze spalin v přídavném expanzním systému při současném získávání dodatečného točivého momentu. Tato variabilní pohonná jednotka s dvoudobým rotačním spalovacím motorem pracuje takovým způsobem, že na takzvané studené straně motoru je permanentně prováděna plnící a kompresní fáze dvoudobého pracovního cyklu a na opačné, tak zvané horké straně motoru, probíhá permanentně expanzní a výfuková fáze dvoudobého pracovního cyklu, což však vede k nerovnoměrnému rozložení teplot po obvodu kruhového pláště statoru motoru. I když jsou u této známé variabilní pohonné jednotky s dvoudobým rotačním spalovacím motorem učiněna různá opatření, aby nedocházelo k překročení maximální přípustné teploty stěny statoru na horké straně dvoudobého rotačního spalovacího motoru, může být toto nevyrovnané asymetrické rozložení teplot po obvodu kruhového pláště statoru motoru kvalifikováno jako určitý nedostatek dvoudobého rotačního spalovacího motoru takto provedené variabilní pohonné jednotky.

Cílem vynálezu je proto vytvoření takové pohonné jednotky, která by shora uvedené nedostatky dvoudobého motoru odstraňoval při zachování ostatních předností tohoto systému.

Podstata vynálezu

Shora zmíněné nedostatky ve velké míře odstraňuje a cíl vynálezu splňuje variabilní pohonná jednotka s rotačním čtyřdobým spalovacím motorem s apriorní regulací tvorby směsi palivo vzduch a s přídavným expanzním systémem, sestávající ze čtyřdobého rotačního 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 unašeči, přičemž mezi protilehlými koncovými plochami sousedních oběžných křídel jsou vytvářeny pracovní komory měnící při otáčení rotační části motoru svůj objem v důsledku excentrického uložení unašečů 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 a vstřikovací • 9

soustavou motoru zážehového nebo žhavící a vstřikovací soustavou motoru vznětového odpovídajícími druhu pracovního procesu spalovacího motoru , podle vynálezu, jehož podstata spočívá vtom , že za horní úvratí motoru ve směru otáčení oběžných křídel je umístěno ústí přívodního kanálu plnícího vzduchu opatřeného na svém vstupu do pracovního prostoru motoru alespoň jedním vstupním regulačním prvkem plnícího vzduchu a za dolní úvratí motoru ve směru otáčení oběžných křídel je umístěno ústí primárního výfukového kanálu opatřeného regulačním prvkem výfuku, přičemž na primární výfukový kanál je napojen sekundární výfukový kanál ústící do pracovního prostoru motoru před horní úvratí motoru, kde je opatřen regulačním prvkem sekundárního výfukového kanálu, přičemž mezi ústím primárního výfukového kanálu a ústím sekundárního výfukového kanálu je umístěno ústí vyplachovacího kanálu s regulačním prvkem vyplachovacího vzduchu. Přívodní kanál plnícího vzduchu je napojen přes plnící dávkovač na zásobník plnícího vzduchu a vyplachovací kanál je napojen přes vyplachovací dávkovač na zásobník vyplachovacího vzduchu. Výstup primárního výfukového kanálu je napojen na vstup vícestupňového expanzního systému tvořeného rotačními stroji s oběžnými křídly.

Výhody provedení variabilní pohonné jednotky podle vynálezu spočívají především v tom, že při použití čtyřdobého rotačního spalovacího motoru nastává rovnoměrné rozložení teplot po celém obvodu statorových stěn přiléhajících k pracovnímu prostoru motoru, přičemž motor může pracovat bez vnějšího chladícího oběhu. Převážné množství tepla generovaného spalovacím procesem je konvergováno na mechanickou energii ve formě točivého momentu na výkonové hřídeli pohonné jednotky. Řešení je uplatnitelné jak u mobilních, tak i u stacionárních strojů jako pohonný systém v dopravní i průmyslové oblasti.

Přehled obrázků na výkrese

Na připojeném výkrese jsou v částečných řezech znázorněny hlavní konstrukční prvky variabilní pohonné jednotky podle vynálezu, kde obr.l představuje provedení rotačního spalovacího motoru čtyřdobého zážehového a obr.2 představuje provedení rotačního spalovacího motoru čtyřdobého vznětového.

•'· ····

Příklad provedení technického řešení

Na obr 1. je patrný rotační spalovací motor I s vnitřním pracovním prostorem 2 , ve kterém jsou umístěna oběžná křídla 3 s unašeči 3.1, kde za horní úvratí motoru ve směru s otáčení oběžných křídel 3 je patrno ústí přívodního kanálu 8 plnícího vzduchu, který je opatřen na svém vstupu do pracovního prostoru 2 motoru regulačním prvkem 8.3 plnícího vzduchu tvořeným v tomto případě sedlovým ventilem. Za dolní úvratí ve směru s otáčení oběžných křídel 3 je patrno ústí primárního výfukového kanálu 5 s regulačním prvkem 5.1 výfuku tvořeného též v tomto případě sedlovým ventilem a na primární výfukový kanál 5 je napojen sekundární výfukový kanál 9 ústící do pracovního prostoru 2 motoru před horní úvratí motoru přes regulační prvek 9.1 sekundárního výfukového kanálu tvořeného opět v tomto případě sedlovým ventilem. Mezi ústím primárního výfukového kanálu 5 a ústím sekundárního výfukového kanálu 9 je umístěno ústí vyplachovacího kanálu 7 s regulačním prvkem 7.3 vyplachovacího vzduchu. Přívodní kanál 8 plnícího vzduchu je napojen přes plnící dávkovač

8.1 na zásobník 8.2 plnícího vzduchu a vyplachovací kanál 7 je napojen přes vyplachovací dávkovač 7.1 na zásobník 7.2 vyplachovacího vzduchu. Výstup primárního výfukového kanálu 5 je napojen na vstup 10.1 vícestupňového expanzního systému 10 s výhodou tvořeného rotačními stroji s oběžnými křídly shodných kinematických vlastností jako u rotačního motoru spalovacího použitého u této pohonné jednotky.

Funkce variabilní pohonné jednotky podle vynálezu je podmíněna využitím kinematických vlastností rotačního stroje popsaného ve zveřejněné přihlášce vynálezu CZ-PV 1999-1953 se všemi jeho příznivými vlastnostmi a možnostmi, které tento rotační stroj nabízí a u něhož lze využít dodatečného nápojem expanzního systému popsaného v užitném vzoru CZ 11151 U a případně s výhodným využitím konstrukce kompresoru podle zveřejněné přihlášky vynálezu CZ-PV 1999-2842 jako zdroje tlakového vzduchu. 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 a vznětových využívajících standardních paliv i jako paliva vodíku, bioplynu či jiných paliv podobných vlastností.

• · · •

φ φ φ φ • φ · · ·

Vlastní funkci pohonné jednotky podle vynálezu je možno pro bližší objasnění možno popsat s pomocí obr. 1, která spočívá v tom, že po nuceném roztočení oběžných křídel 3 a při konstantně otevřeném přívodním kanálu 8 plnícího vzduchu a při uzavřeném primárním výfukovém kanálu 5 , uzavřeném vyplachovacím kanálu 7 a při uzavřeném sekundárním výfukovém kanálu 9 je pracovní komora nalézající se ve směru s otáčení oběžných křídel 3 krátce za horní úvratí plněna tlakovým vzduchem z přívodního kanálu 8 plnícího vzduchu při otevřeném vstupním regulačním prvku 8.3 plnícího vzduchu. Po dosažení dolní úvratě motoru sledovanou komorou zaujímá tato největší možný sací objem a dalším postupným otáčením sledované komory směrem k pozici horní úvratě motoru dochází ve sledované komoře ke kompresi v ní obsaženého vzduchu. Po dosažení horní úvratě motoru je do takto komprimovaného vzduchu vstříknuto palivo vstřikovací částí vstřikovací a zapalovací soustavy 4 s následným zážehem takto vytvořené zápalné směsi a při dalším otáčení sledované komory směrem k dolní úvratí motoru dochází k expanzi horkých spalin při současném vytváření točivého momentu až do pozice dolní úvratě komory. Krátce před dosažením dolní úvratě sledovanou komorou po průběhu expanzní fáze dojde k otevření primárního výfukového kanálu 5 otevřením regulačního prvku 5.1 výfuku a podstatná část tlakového média ve formě horkých spalin unikne vlastním přetlakem do primárního výfukového kanálu 5 a dále do vstupu 10.1 přídavného vícestupňového expanzního systému 10, kde pokračuje v další expanzi.Při dalším pootočení sledované komory dojde k otevření vyplachovacího kanálu 7 pomocí otevřeného regulačního prvku 7.3 vyplachovacího vzduchu a sledovaná komora pak umožňuje krátkodobé propojení otevřeného vyplachovacího kanálu 7 a otevřeného sekundárního výfukového kanálu 9 přes prostor sledované komory, která je tímto způsobem propláchnuta čistým studeným vzduchem. Dalším pootočením sledované komory dojde k prostorovému oddělení primárního výfukového kanálu 5 a pracovního prostoru sledované komory a posléze dojde také k prostorovému oddělení vyplachovacího kanálu 7 a pracovního prostoru sledované komory. Zbytkový obsah plynu v komoře je pak bez velkého odporu vytlačen z komory do sekundárního výfukového kanálu 9 při otevřeném regulačním prvku 9.1 sekundárního výfukového kanálu a tím také dojde k úplnému vyprázdnění sledované komory a po proběhnutí horní úvratí motoru se celý proces opakuje. Během takto definovaného jednoho pracovního cyklu čtyřdobého rotačního spalovacího motoru podle technického řešení dochází k vyrovnání teploty sledované po celém obvodu kruhového statorového pláště motoru, protože na sací a expanzní straně motoru probíhá sání plnění studeným vzduchem a vzápětí na této straně motoru probíhá v následné komoře expanze zapálené směsi doprovázené zvýšenou teplotou a takto kombinované za sebou jdoucí sací a expanzní fáze navzájem stabilizují teplotu statorové skříně na expanzní straně motoru na určité tepelné hodnotě. Na opačné kompresní a výfukové straně motoru při pohybu sledované komory z pozice dolní úvratě motoru k horní úvrati motoru dochází opět na stěnách statoru střídání sekundární výfukové fáze s následnou kompresní fází, kde se opět na stěnách statorů střídá komora komprimující vzduch, tedy studená fáze, s komorou, ve které probíhá sekundární výfuková fáze, což je opět fáze horká, takže i na kompresní a výfukové straně motoru dochází ke stabilizaci teploty statorových stěn na určité tepelné hodnotě.

Protože sekundární výfuková fáze probíhá až po ukončení primární výfukové fáze v dolní úvrati motoru spojené s ochlazením při výplachu komory vyplachovacím vzduchem, je hlavní množství tepla odvedeno do primárního výfukového kanálu 5 a následný průběh sekundární výfukové fáze není doprovázen vysokou teplotou, ale teplota zbytkového plynu v komoře je Ochlazena předešlým smícháním se studeným vyplachovacím vzduchem, takže teplota stěn statoru na kompresní i výfukové straně motoru je opět stabilizována na určité definované hodnotě.

V případě dlouhodobého provozování čtyřdobého rotačního spalovacího motoru při maximálním výkonu může přesto dojít k překročení maximálně přípustné teploty statorové skříně. V tomto případě je možné mezi čtyři fáze pracovního cyklu čtyřdobého spalovacího motoru přidat jeden vyplachovací takt, který Sestává z jedné dodatečné fáze sání a sekundárního výfuku, přičemž takto provozovaná pracovní komora vykonává šestidobý pracovní cyklus. V případě nutnosti lze nechat proběhnout dvě dodatečné výplachové fáze složené opět z fáze sám a fáze sekundární výfukové. Pak vykonává tato komora osmidobý pracovní cyklus doprovázený dodatečným ochlazením stěn statorové skříně.

Je nutno připomenout, že energie tlakového média, která nevykonává expanzní práci v samotném spalovacím motoru není ztracena, protože energetické médium, například ochlazovací vzduch opouštějící motor primárním výfukovým kanálem 5 pokračuje dále do expanzního systému 10, kde je jeho veškerá energie dodatečně konvergována na mechanickou práci ve formě točivého momentu.

Případnou regulaci maximální přípustné teploty vnitřních stěn statoru přivrácených k pracovnímu prostoru 2 motoru je možné uskutečnit vložením libovolně volitelného počtu přídavných vyplachovacích taktů do standardního čtyřdobého pracovního cyklu motoru a motor tak pracuje po určitou dobu jako motor v podstatě tlakovzdušný, přičemž je na mechanickou práci konvergována pouze tlaková energie získávaná z přeplňovacího vzduchu plněného do pracovní komory v sací fázi. Při opuštění vyplachovacího vzduchu sekundárním ·· to· • · to

výfukovým kanálem 9 pokračuje tlakový vzduch dále do přídavného expanzního systému JO, kde se podílí na tvorbě přídavného točivého momentu.

Uspořádání pohonné jednotky podle vynálezu dále umožňuje využití apriorní regulace přípravy směsi palivo - vzduch, která dovoluje v každém okamžiku tvoření směsi palivo vzduch o stechiometrickém složení, což je výchozí požadavek pro dosažení podmínky homogenního hoření paliva, při kterém vzniká minimální množství škodlivých exhalací a zvyšuje ekologické hodnoty provozu tohoto zařízení.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Variabilní pohonná jednotka s rotačním spalovacím motorem čtyřdobým s přídavným expanzním systémem a apriorní regulací tvorby směsi palivo-vzduch, sestávající z rotačního čtyřdobého spalovacího motoru (1) s oběžnými křídly (3) volně uloženými na centrální hřídeli procházející centrální osou vnitřního pracovního prostoru (2) motoru vytvořeného ve statorové skříni a které jsou unášeny excentricky vzhledem k centrální ose uloženými unašeči (3.1), přičemž mezi protilehlými koncovými plochami sousedních oběžných křídel (3) jsou vytvářeny pracovní komory měnící při otáčení rotační části motoru svůj objem v důsledku excentrického uložení unašečů (3.1) 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 a vstřikovací soustavou (4) motoru zážehového nebo žhavící a vstřikovací soustavou (4.1) motoru vznětového odpovídajícími druhu pracovního procesu spalovacího motoru ,vyznačující se tím, že za horní úvratí motoru ve směru (s) otáčení oběžných křídel (3) je umístěno ústí přívodního kanálu (8) plnícího vzduchu opatřeného na svém vstupu do pracovního prostoru (2) motoru alespoň jedním vstupním regulačním prvkem (8.3) plnícího vzduchu a za dolní úvratí motoru ve směru (s) otáčení oběžných křídel (3) je umístěno ústí primárního výlukového kanálu (5) opatřeného regulačním prvkem (5.1) výluku, přičemž na primární výlukový kanál (5) je napojen sekundární výfukový kanál (9) ústící do pracovního prostoru (2) motoru před horní úvratí motoru, kde je opatřen regulačním prvkem (9.1) sekundárního výfukového kanálu (9), přičemž mezi ústím primárního výfukového kanálu (5) a ústím sekundárního výfukového kanálu (9) je umístěno ústí vyplachovacího kanálu (7) s regulačním prvkem (7.3) vyplachovacího vzduchu.
2. 2. Variabilní pohonná jednotka podle bodu 1,vyznačující se tím, že přívodní kanál (8) plnícího vzduchuje napojen přes plnící dávkovač (8.1) na zásobník (8.2) plnícího vzduchu a vyplachovací kanál (7) je napojen přes vyplachovací dávkovač (7.1) na zásobník (7.2) vyplachovacího vzduchu.
3. 3. Variabilní pohonná jednotka podle bodů la 2, vyznačující se tím,že výstup primárního výfukového kanálu (5) je napojen na vstup (10.1) vícestupňového expanzního systému (10) tvořeného rotačními stroji s oběžnými křídly.