SK10102000A3 - Spôsob doplnkového ohrevu motorov plnených prídavným vzduchom a zariadenie na jeho vykonávanie - Google Patents

Description

Oblasť techniky

Vynález rieši pozemné vozidlá a predovšetkým vozidlá, ktorých motor je usporiadaný na prevádzku bez škodlivých emisií, ktorý môže, ale nemusí byť vybavený samostatnou spaľovacou komorou, je plnený vstrekovaním prídavného stlačeného vzduchu a je vybavený zásobníkom vysokotlakového vzduchu.

Doterajší stav techniky

Autor vo svojej žiadosti WO 96/27737 popisuje spôsob prevádzky motoru bez škodlivých emisií, ktorý je vybavený samostatnou vonkajšou spaľovacou komorou a pracuje v alternatívnom režime s možnosťou využitia dvoch druhov energie. Pri prevádzke na diaľnicach je motor plnený buď bežným palivom (režim vzduch - palivo) alebo prídavným stlačeným vzduchom (prípadne iným neznečisťujúcim plynom) s vylúčením akéhokoľvek iného paliva (režim vzduchový, t.j. s pridávaním stlačeného vzduchu), ktorý je využiteľný predovšetkým v mestských a prímestských aglomeráciách a pri malých rýchlostiach. V prihláške FR 9607714 jej autor popisuje usporiadanie tohto typu motora pracujúceho v režime s prídavným stlačeným vzduchom v dopravných prostriedkoch verejných služieb, napríklad v mestských autobusoch.

Pri tomto type motora pri režime vzduch - palivo, je zmes vzduchu a paliva nasávaná a stláčaná v samostatnej sacej a kompresnej komore. Stlačená zmes potom odchádza do samostatnej spaľovacej komory konštantného objemu, kde je zapálená a tým sa zvýši jej teplota a tlak. Po otvorení potrubia medzi spaľovacou alebo pretlakovou komorou a expanznou a výfukovou komorou odchádza táto zmes do expanznej komory, kde sa rozpína a vykoná prácu. Uvoľnené plyny potom odchádzajú výfukovým potrubím do atmosféry.

Ak nie je potrebný plný výkon, je motor prevedený do režimu s prídavným stlačeným vzduchom, ktorý predovšetkým rieši vynález. V tomto režime je z činnosti vyradená palivová tryská. Do spaľovacej komory sa ihneď po jej naplnení stlačeným vzduchom bez paliva, ktorý prichádza zo sacej a kompresnej komory, privedie z vonkajšieho zásobníka malé množstvo stlačeného vzduchu. V tomto zásobníku je vzduch uskladnený pod vysokým tlakom, napr. 200 barov a pri teplote okolitého prostredia. Toto malé množstvo stlačeného vzduchu s teplotou vonkajšieho prostredia sa pri kontakte zo vzduchom vysokej teploty v spaľovacej alebo pretlakovej komore ohreje, rozpína sa a zvýši tlak v komore, ktorý potom pri rozpínaní vykoná prácu.

Motor pracujúci s využitím dvoch druhov energie (vzduch a palivo, resp. vzduch a prídavný stlačený vzduch) možno upraviť na prevádzku v režime vzduch - prídavný stlačený vzduch a ako taký môže byť použitý na pohon vozidiel v mestskej prevádzke, predovšetkým na pohon mestských autobusov alebo iných dopravných prostriedkov verejných služieb (taxi, zvážanie odpadu apod.). Jeho úprava spočíva v odobratí všetkých súčastí týkajúcich sa použitia bežného paliva.

Motor potom bude pracovať iba v režime vzduch - prídavný vzduch, pričom prídavný vzduch bude vstrekovaný do spaľovacej komory, ktorá sa v tomto prípade stáva pretlakovou komorou. Vzduch nasávaný motorom môže byť filtrovaný a čistený niekoľkými filtrami s aktívnym uhlím alebo mechanicky, chemicky, molekulovým sitkom a pod. Filtrovaním nasávaného vzduchu nedochádza pri prevádzke motora k znečisteniu prostredia. V texte je pojem „vzduch“ ekvivalentný pojmu „akýkoľvek neznečisťujúci plyn“.

Pri tomto type motora je prídavný stlačený vzduch vstrekovaný do spaľovacej alebo pretlakovej komory pod pracovným tlakom určeným v závislosti na existujúcom tlaku v komore. Pracovný tlak je poznateľné väčší ako tlak v komore, napr. 30 barov, aby stlačený vzduch mohol do komory preniknúť. Na to je použitý detandér známeho typu, ktorý spôsobí expanziu bez práce absorbujúcu teplo, a teda bez zníženia teploty, ktorá umožní vstreknúť do spaľovacej alebo pretlakovej komory expandovaný vzduch (v tomto príklade pod tlakom približne 30 barov) a pri teplote okolitého prostredia.

Tento spôsob vstrekovania stlačeného prídavného vzduchu môže byť tiež využitý pri bežných dvojtaktných a štvortaktných motoroch, pri ktorých sa tento vzduch vstrekne do spaľovacej komory akonáhle piest dosiahne hornú úvrat’.

Podstata vynálezu

Vynález navrhuje riešenie týkajúce sa spôsobu zvýšenia množstva použiteľnej energie. Spôsob sa vyznačuje prostriedkami na jeho uskutočňovanie a predovšetkým tým, že stlačený vzduch pred jeho privedením do spaľovacej a/alebo pretlakovej komory prechádza tepelným ohrievačom, kde zvýši svoj tlak a/alebo objem, a tým sa zvýši jeho výkon využiteľný na prácu motora.

V prihláške č. 9700851 popisuje jej autor spôsob zachytenia tepelnej energie z okolitého prostredia pre tento typ motora. Vzduch uskladnený vo vysokotlakovom zásobníku pod tlakom napr. 200 barov a pri teplote okolitého prostredia, napr. 20°C, expanduje napr. vo valci s piestom tak, aby sa jeho tlak priblížil hodnote jeho finálneho použitia, t. j. napr. 30 barov. Pri svojej expanzii v tomto valci vykoná prácu, ktorá je zachytená a využitá všetkými známymi mechanickými, elektrickými, hydraulickými alebo inými prostriedkami. V dôsledku tejto expanzie konajúcej prácu sa vzduch stlačený na hodnotu blížiacu sa jeho použitiu ochladí na veľmi nízku teplotu, napr. na teplotu mínus 100°C. Stlačený, ale na použiteľnú hodnotu expandovaný vzduch veľmi nízkej teploty sa potom odvádza do tepelného výmenníka vzduch/vzduch, kde sa v kontakte s teplotou okolitého vzduchu znova ohreje na teplotu blízku okolitému vzduchu a zachytením tepelnej energie z atmosféry sa zvýši jeho tlak a/alebo objem.

Vynález rovnako navrhuje riešenie týkajúce sa spôsobu ďalšieho navŕšenia použiteľnej energie pri využití vyššie popísaného spôsobu zachytenia okolitej tepelnej energie. Tento spôsob sa vyznačuje prostriedkami na jeho uskutočnenie a predovšetkým tým, že stlačený vzduch po jeho prechode tepelným výmenníkom vzduch/vzduch a pred jeho privedením do spaľovacej komory prechádza tepelným ohrievačom, v ktorom sa znova zvýši jeho tlak a/alebo objem a tým sa zvýši jeho výkon využiteľný pre prácu motora.

Využitie tepelného ohrievača je výhodné z hľadiska možnosti použitia čistých stáložiamych látok, ktoré môžu byť katalýzou alebo inými známymi prostriedkami zbavené nečistôt. Ohrievač môže byť plnený bežným palivom, napr. benzínom, zmesnými plynmi alebo inými známymi látkami, prípadne možno použiť chemickú reakciu a/alebo elektrickú energiu. Príslušný odborník vypočíta množstvo vysokotlakového vzduchu na plnenie systému expanzie konajúcej prácu, parametre a objemy tak, aby finálny úžitkový tlak a vzhľadom na výkon ohrievača čo najnižšia teplota, zodpovedali v konečnej fáze expanzie danému motoru. Množstvo použitého stlačeného vzduchu, proces výmeny teploty a zahriatia vzduchu vo výmenníku môže byť optimalizované elektronickým zariadením. Odborník taktiež vypočíta . rozmery a parametre ohrievača, ktorým môže byť usporiadaný známymi spôsobmi, bez toho aby sa tým zmenila podstata vynálezu.

Vynález sa vyznačuje tiež tým, že tepelný ohrievač, ktorý je použitý na ohriatie stlačeného vzduchu prichádzajúceho z vysokotlakového zásobníka a pripadne zo systému pre zachytenie okolitej tepelnej energie, je rovnako použitý samostatne alebo v kombinácii s oboma vyššie popísanými spôsobmi na ohrievanie stlačeného vzduchu pred jeho odvedením do spaľovacej a/alebo pretlakovej komory a v dôsledku toho sa v komore zvýši celkový tlak pred expanziou vzduchu v expanznej a výfukovej komore, kde dochádza k pracovnému zdvihu.

Stlačený vzduch prichádza do tepelného ohrievača z vysokotlakového zásobníka, zo zariadenia pre zachytenie okolitej tepelnej energie a zo sacej a kompresnej komory, a to oddelene alebo v kombinácii v závislosti na podmienkach jeho využitia.

Prehľad obrázkov na výkrese

Vynález bude bližšie objasnený na príkladoch s odkazmi na výkres, na ktorom znázorňuje: Obr. 1 - schematicky a priečnom priereze motor usporiadaný na prevádzku bez škodlivých emisií vybavený zariadením na tepelné ohrievanie,

Obr. 2 - v priečnom reze rovnaký motor so systémom na zachytenie okolitej tepelnej energie a vybavený zariadením na tepelné ohrievanie,

Obr. 3 - motor vybavený tepelným ohrievačom s paralelným potrubím na privádzanie stlačeného vzduchu zo sacej a kompresnej komory,

Obr. 4 - motor usporiadaný spojením troch zásobníkov podľa vynálezu.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Na obr. 1 je schematicky a priečnom reze znázornený motor usporiadaný pre prevádzku bez škodlivých emisií a vybavený zariadením na jeho plnenie stlačeným vzduchom. Súčasťou motora je sacia a kompresná komora 1, spaľovacia alebo pretlaková komora 2 konštantného objemu, do ktorej ústi vstrekovacia tryská 22 prídavného vzduchu napájaná stlačeným vzduchom z vysokotlakového zásobníka 23 a expanzná a výfuková komora 4. Sacia a kompresná komora i je spojená so spaľovacou a pretlakovou komorou 2 potrubím 5, ktorého otvorenie a uzavretie je riadené ventilom 6· Spaľovacia alebo pretlaková komora 2 je spojená s expanznou a výfukovou komorou 4 potrubím 1, ktorého otvorenie a uzavretie je riadené ventilom S. Do sacej a kompresnej komory 1 prichádza vzduch sacím potrubím 12, ktorého uzavretie a otvorenie je riadené ventilom 14, pred ktorým je umiestnený vzduchový filter 24 s aktívnym uhlím.

Sacia a kompresná komora 1 pôsobí ako piestový kompresor, v ktorom piest 2 pohybujúci sa vo valci 1Q je poháňaný ojnicou H a kľukovým hriadeľom 12. Expanzná a výfuková komora 4 je usporiadaná rovnako ako pracovný valec bežného piestového motora, v ktorom piest 15 pohybujúci sa vo valci 12 poháňa prostredníctva ojnice 17 kľukový hriadeľ 12. Expandovaný vzduch odchádza výfukovým potrubím 12, ktorého otvorenie a uzavretie je riadené ventilom 2fí- Otáčanie kľukového hriadeľa 12 sacej a kompresnej komory 1 poháňa prostredníctvom mechanického spoja 21 hnací kľukový hriadeľ 12 expanznej a výfukovej komory 4.

Podľa vynálezu je medzi zásobníkom 22 vysokotlakového vzduchu a kalibrovanou vyrovnávacou nádržou 42 s obsahom vzduchu s finálnym a takmer konštantným pracovným tlakom, zaradený do potrubia 37A tepelný ohrievač 22 s horákmi 52- Tieto horáky podstatne zvýšia teplotu a teda tlak a/alebo objem stlačeného vzduchu, ktorý prichádza zo zásobníka 22 (v smere šípok E) a prechádza hadom 58 ohrievača. Tým sa významne zvýši výkon motora.

Na obr. 2 je motor vybavený zariadením na zachytenie okolitej tepelnej energie. V tomto prípade expanziu konajúca práca s využitím vysokotlakového vzduchu skladovaného v zásobníku 22 prebieha v systéme usporiadanom zo zapusteného valca 22, v ktorom obieha pracovný piest 24 na ojnici 22 uložené na hnacom hriadeli 12- Piest 24 obiehajúci vo valci 22 vymedzuje pracovnú komoru 22, do ktorej ústi jednak privádzajúce potrubie 22 vysokotlakového vzduchu, ktorého otvorenie a uzavretie je riadené elektromagnetickým šúpatkom 2S, a jednak výfukové potrubie 22 spojené s tepelným výmenníkom vzduch/vzduch alebo chladičom 41- Chladič je spojený potrubím 42 s vyrovnávacou nádržou 42- Akonáhle pracovný piest 24 dosiahne hornú úvrat’, elektromagnetický posúvač 22 sa otvorí a potom uzavrie a prepustí príslušné množstvo vysokotlakového vzduchu, ktorý expanduje a tlačí piest 24 až do dolnej úvrate, pričom prostredníctvom ojnice 22 poháňa hnací hriadeľ 12. Pri návrate piestu 24 na hornú úvrat’ sa elektromagnetický posúvač 4Q výfukového potrubia otvorí a stlačený avšak expandovaný vzduch veľmi nízkej teploty obsiahnutý v pracovnej komore prúdi (v smere šípky h) do výmenníka vzduch/vzduch alebo chladiča 41. Tu sa vzduch znova ohreje na teplotu blízku teplote okolitého prostredia a tým, že prevezme nezanedbateľné množstvo tepelnej energie z atmosféry, zväčší svoj objem a ďalej postúpi do vyrovnávacej nádrže.

Podľa vynálezu je do potrubia 42A medzi tepelný výmenník 41 vzduch/vzduch a vyrovnávaciu nádrž 43 umiestnený tepelný ohrievač 56. ktorého horáky 57 významne zvýšia teplotu a teda tlak a/alebo objem stlačeného vzduchu prechádzajúceho hadom 56 v smere šípok E od výmenníka 41 vzduch/vzduch.

Podľa ďalšieho znaku vynálezu, ktorý je znázornený na obr. 3, je tepelný ohrievač 56 prepojený so sacou a kompresnou komorou 1. Časť vzduchu stlačeného piestom 2 je vedená (v smere šípok E) z tejto komory do tepelného ohrievača 56· Pri prechode hadom 5S sa tento vzduch pod horákmi znova ohreje, zvýši sa jeho tlak a/alebo objem, a potom prichádza do vyrovnávacej nádrže 41 odkiaľ je vstrekovaný tryskou 22 do spaľovacej a/alebo pretlakovej komory 2.

Na obr. 4 je schematicky znázornené zariadenie obsahujúce kombináciu všetkých troch usporiadaní z obr. 1, 2 a 3. Horáky 57 tepelného ohrievača 56 zahrievajú súčastne časť vzduchu, ktorý bol stlačený piestom 2 v sacej a kompresnej komore 1 a pred jeho preniknutím do vyrovnávacej nádrže 43 prechádza hadom 5£, a stlačený vzduch prichádzajúci zo zásobníka cez zariadenie na zachytenie okolitej tepelnej energie a tepelný výmenník 41 vzduch/vzduch.

Stlačený vzduch zo zásobníka 21 prichádza do tepelného ohrievača 56 potrubím 37A_f zo zariadenia na zachytenie okolitej tepelnej energie 41 potrubím 42 a zo sacej a kompresnej komory 1 potrubím 42A. Každé uvedené potrubie je vybavené riadenými regulačnými ventilmi 52, 59A. 59B. ktoré v závislosti na podmienkach použitia vzduchu prepustí do ohrievača stanovené množstvo stlačeného vzduchu.

Činnosť regulačných klapiek, zapaľovania horákov a regulácia intenzity ich horenia je riadená tak, aby väčšie či menšie zahriatie stlačeného vzduchu prechádzajúceho hadom ohrievača zodpovedalo potrebám energie na prevádzku vozidla s takto usporiadaným motorom.

Vyrovnávacia nádrž 41, ktorá je umiestnená medzi tepelným ohrievačom 56 a tryskou 22 môže byt výhodne vybavená tepelnou izoláciou 43A. aby tu nedošlo k zníženiu teploty stlačeného vzduchu oproti teplote, ktorú získal v tepelnom ohrievači 56. Objem vyrovnávacej nádrže 43 a druh izolačného materiálu určí príslušný odborník. Rôznymi prostriedkami , zabraňujúcimi únik tepla môžu byť vybavené tiež potrubia na vedenie vzduchu. Tým sa nijako nezmení podstata vynálezu.

Podstata vynálezu nie je obmedzená vyššie popísanými a znázornenými príkladmi a odborník v rámci vynálezu objaví ďalšie možné varianty jeho uskutočnenia.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob doplnkového ohrevu piestových motorov alebo vozidiel s piestovými motormi usporiadanými na prevádzku bez škodlivých emisií, ktoré sú plnené vstrekovaním prídavného vzduchu do spaľovacej alebo pretlakovej komory a vybavené zásobníkom vysokotlakového vzduchu, vyznačujúci sa tým, že stlačený vzduch obsiahnutý vo vysokotlakovom zásobníku sa pred finálnym použitím pri nižšom pracovnom tlaku najprv odvádza do tepelného ohrievača, aby sa pred jeho vstrekovaním do spaľovacej alebo pretlakovej komory zvýšil jeho tlak a/alebo objem.
2. 2. Spôsob doplnkového ohrevu podľa nároku 1,vyznačujúci sa tým, že sa stlačený vzduch obsiahnutý vo vysokotlakovom zásobníku pred jeho vstupom do tepelného ohrievača pri nižšom tlaku najskôr odvádza do systému s premenlivým objemom, napr. do valca s piestom, kde expanduje a dosiahne uvedený nižší tlak, pričom koná prácu, v dôsledku ktorej sa ochladí a takto expandovaný vzduch je potom odvádzaný do tepelného výmenníka, kde sa ohreje okolitou tepelnou energiou a tým zvýši svoj tlak a/alebo objem.
3. 3. Spôsob doplnkového ohrevu motorov alebo vozidiel s motormi usporiadanými na prevádzku bez škodlivých emisií, ktoré sú plnené vstrekovaním prídavného vzduchu do spaľovacej alebo pretlakovej komory, vyznačujúci sa tým, že stlačený vzduch v závere kompresie odchádza zo sacej a kompresnej komory a je vedený do tepelného ohrievača, aby sa pred jeho vstrekovaním do spaľovacej alebo pretlakovej komory zvýšil jeho tlak a/alebo objem.
4. 4. Spôsob doplnkového ohrevu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3, vyznačuj úci sa t ý m, že stlačený vzduch prichádza do tepelného ohrievača z vysokotlakového zásobníka, zo zariadenia na zachytenie okolitej tepelnej energie, zo sacej a kompresnej komory, a to oddelene alebo v kombinácii a v stanovenom množstve podľa podmienok jeho využitia.
5. 5. Zariadenie na doplnkový ohrev na uskutočňovanie spôsobu podľa nároku 1, vyznačujúce satým, že tepelný ohrievač (26) vybavený horákom (57) napájaný palivom a výmenníkovým hadom (58) je umiestnený medzi vysokotlakovým zásobníkom (23) a vstrekovacou tryskou (22) stlačeného prídavného vzduchu, tento horák (57) ohrieva vzduch prichádzajúci z vysokotlakového zásobníka a prechádzajúci výmenníkovým hadom (58) tak, aby • sa pred jeho vstrekovaním do spaľovacej alebo pretlakovej komory (2) zvýšil jeho tlak a/alebo objem, pričom pred vstrekovaním prechádza ešte vyrovnávacou nádržou (43) umiestnenou medzi tepelným ohrievačom a vstrekovacou tryskou (22), ktorá vyrovnáva a zabraňuje efektu pumpovania pred uvedeným vstrekovaním.
6. 6. Zariadenie na doplnkový ohrev podľa nároku 5 na uskutočňovanie spôsobu podľa nároku 2, vyznačujúce satým, že tepelný ohrievač (56) je umiestnený do potrubia (42) medzi tepelný výmenník vzduch/vzduch alebo chladič (41) zariadenia na zachytenie okolitej tepelnej energie a vyrovnávaciu nádrž (43) pred tryskou na vstrekovanie vzduchu do spaľovacej a pretlakovej komory (2).
7. 7. Zariadenie na doplnkový ohrev podľa nároku 5 na uskutočňovanie spôsobu podľa nároku 3, vyznačujúce satým, že tepelný ohrievač (56) je umiestnený medzi sacou a kompresnou komorou (1) motora a vyrovnávacou nádržou (43), do paralelného potrubia (42), ktorého prietok je riadený ventilom (59), ktorý v závere fáze kompresie prepustí časť vzduchu do tepelného ohrievača, aby sa pred jeho vstrekovaním do spaľovacej alebo pretlakovej komory zvýšil jeho tlak a/alebo objem.
8. 8. Zariadenie na doplnkový ohrev podľa nároku 5 na uskutočňovanie spôsobu podľa nároku 4, vyznačujúce sa tým, že do tepelného ohrievača (56) prichádza stlačený vzduch potrubím (37A) z vysokotlakového zásobníka (23), potrubím (42) zo zariadenia (41) na zachytenie okolitej tepelnej energie a potrubím (42A) zo sacej a kompresnej komory (1), pričom uvedené potrubia sú vybavené riadenými regulačnými ventilmi (59, 59A, 59B), ktoré vzhľadom na účel použitia umožňujú určiť množstvo stlačeného vzduchu vedeného od každého uvedeného zariadenia do tepelného ohrievača.
9. 9. Zariadenie na doplnkový ohrev podľa nároku 5,vyznačujúce sa tým, že vyrovnávacia nádrž, ktorá je umiestnená medzi tepelným ohrievačom (56) a vstrekovacou tryskou (22) je tepelne izolovaná obalom (43A), aby nedošlo k strate teploty vzduchu akumulovanej v tepelnom ohrievači.