Bevezetés A szabadalmaztatás alatt álló Common Air motor olyan belsőégésű motor, amelynek jobb a hatásfoka és kevesebb szennyező anyagot bocsát ki, mint a jelenleg gyártott motorok. Ezt három egyszerű megoldással valósítja meg: a közös levegő feltöltéssel, égéstér ernyőzéssel és a túlhevített üzemanyag befecskendezéssel. Az égéstér ernyőzés és a túlhevített üzemanyag befecskendezés utólag is alkalmazható. Évente közel 100 000 000 gépjármű készül belsőégésű motorral, a Common Air motor alkalmazásával, elterjesztésével jelentősen hozzájárulhatunk a globális felmelegedés megakadályozásához. Common Air motor A Common Air motor 4 ütemű, dugattyús, feltöltött és hibrid motor. Benzin és dízel motorként is kialakítható. Nevét a feltöltési eljárásról kapta. A hengerekben a dugattyúk alatti tér kompresszornak van kialakítva. A kompresszorokban összesűrített levegőt összegyűjtjük, hűtjük és tartályban tároljuk. A tartályból szabályzón keresztül a közös levegő csővel a hengerekhez vezetjük a feltöltő levegőt. A közös levegő csőből a hengereket a feltöltő szelepeken keresztül töltjük fel. A Common Air feltöltésnél 3 lökettérfogatnyi levegőt hasznosít a motor 1 munkaciklus alatt, ezért háromszor kisebb a lökettérfogata az ugyanakkora teljesítményű szívó motornál. A feltöltési eljárás animációja itt érhető el: https://youtu.be/tfxghqjsn3i Mivel a terjeszkedésre csak 1 lökettérfogatnyi hely van a hengerekben, ezért a további terjeszkedéshez kipufogógázt turbógenerátor turbinájába vezetjük. A turbógenerátor áramát a főtengellyel egybeépített villanymotor meghajtására használjuk vagy akkumulátorban tároljuk. A kimenő teljesítmény 35-40%-át a villanymotor szolgáltatja, ezért a Common Air motor hibrid motor is. A turbinában a terjeszkedés jóval nagyobb mértékű, mint a feltöltés során alkalmazott sűrítés, ezért kvázi Atkinson ciklusú motor. A motor blokkvázlata az 1. ábrán látható. 1. ábra Common Air motor blokkvázlata - 1 -
A Common Air motor további jellemzője, hogy égéstere ernyőzött. Az ernyőzéssel a motorfali hőveszteséget csökkentjük. A Common Air motorban a felhasznált üzemanyagot az égéstér hőjével felmelegítjük (túlhevítjük) befecskendezés előtt. Ezt a túlhevített üzemanyagot közvetlen az égéstérbe fecskendezünk be. Ezzel nagymértékben csökkentjük a motor szennyezőanyag kibocsátását. Ernyőzött égéstér Ernyőzéssel megakadályozzuk, hogy az örvénylő, forró gáz az égéstér falához súrlódjon, ezzel jelentősen csökkentjük a motorfali hőveszteséget. Ezt olyan vékonyfalú, hőálló anyagú ernyővel érjük el, amelyet úgy rögzítünk, hogy az ernyő és a felület között légrés marad. A belsőégésű motorok hőterjedési viszonyairól az alábbi honlapon tájékozódhatunk: http://www.engr.colostate.edu/~allan/heat_trans/page4/page4f.html Idézet a fenti honlapról: Introduction The conduction and convection heat transfer in engines are processes that occur in series and parallel with each other. A series path is convection through the cylinder gas boundary layer, conduction across the cylinder wall, and convection through the coolant liquid boundary layer; and a parallel path is conduction through the cylinder wall and through the piston crown. In heat transfer resistance modeling, we look for regions which have relatively large temperature differences, and compute the heat transfer resistance across those regions. Figure 12. Resistance Network Diagram The thermal resistance is defined as the ratio of the temperature difference, dt, to the heat transfer Q. This is analogous to Ohm's law, in which the electrical resistance is defined as the ratio of the voltage drop across a resistor to the current flow across the resistor. DV = I R or R = DV/ I (Ohm's Law) DT = (Q/A) R or R = DT / (Q/A) (on a per unit area basis) Conduction resistance Convection resistance The resistance model is very useful in determining the heat transfer in a complex steady state heat transfer situation. It is assumes that the heat transfer is primarily one dimensional across the resistance element, so as the problem becomes more multidimensional, the accuracy decreases. - 2 -
Heat transfer to coolant For the heat transfer from the engine cylinder to the coolant, a series path can be assumed. For example: Figure 13. Three Resistor Network for Piston Cylinder Wall For example, assume that the cylinder gas temperature is 1200 K, and the coolant temperature is 300 K. The cylinder thermal conductivity is 80 W/mK, and its thickness is ½" ( 0.012 m). Also assume that the convection coefficient is 200 on the gas side, and 1000 on the coolant side. Then The thermal resistance of the gas layer, Rgas, is 1/h = 1/200 = 50 x 10-4 The thermal resistance of the cylinder wall, Rwall is L/k = 0.012/80 = 1.5 x 10-4 The thermal resistance of the coolant, Rcoolant is 1/h = 1/1000 = 10 x 10-4 The largest resistance is the gas side resistance, Rgas. This means that the heat transfer in this case is relatively insensitive to the type of material used in the wall. If the cylinder was made of aluminum instead of steel, the overall heat transfer would not change significantly. For the above resistances, the overall heat transfer is about 150,000 W/m2. A fenti számítások eredménye szerint a hengerfal hőellenállásának növelése alig változtatja meg a teljes hőellenállás értéket. Ezért hoztunk létre az ernyőzéssel a gáz-hengerfal szakaszhoz hasonló nagyságrendű további két nagy hőellenállású részt. Ezek az ernyő-légrés és a légrés-motorfal közötti szakaszok. A légrésben a levegő alig mozdul, ezért itt a hőellenállás nagyobb, mint a égéstér és a hengerfal között. A 2. ábra mutatja az ernyőzés egy lehetséges kialakítását. 2. ábra Az ernyőzés kialakítása A legnagyobb hőveszteség a felső holtponton az üzemanyag égésekor keletkezik, ezért ernyőzést az égéskamrát határoló elemeken alkalmazunk. Ezek: hengerfej, szelepek, dugattyú tető és a henger tűzgát szakasza. A kipufogó cső belső felületén is alkalmazzuk az ernyőzést. Az égéskamra - 3 -
elemeinek ernyőzését a 3. ábra mutatja. A 1. képen a dugattyú tetőn, a 2. képen tányér szelepen kialakított ernyő látható. 3. ábra Az égéskamra elemeinek ernyőzése 1. kép Dugattyú ernyőzése 2. kép Szelep ernyőzése Üzem közben az ernyő hőmérséklete magas és hasonlóan a gyújtógyertya elektródájához öntisztuló. A kisebb hőveszteség miatt nyert energia egy része közvetlenül a motor hasznos munkáját - 4 -
növeli, másik része a kipufogó gázba jut. A kipufogó gáz energiáját a turbógenerátor hasznosítja. Mivel a motorfalba sokkal kevesebb hő jut, adott esetben léghűtés elegendő. A magas ernyő hőmérséklet miatt a falmelletti égésgátlás jelentősen lecsökken. A motor kevesebb szennyező anyagot (el nem égett szénhidrogén, apró korom részecske) bocsát ki. Az ernyőzés kivitelezése nagyon egyszerűen, alacsony költséggel, azonos módon alkalmazható az égésteret határoló elemeken. Az égéskamra felületének nagy részét a tányérszelepek és a dugattyútető határolja. Csak ezeket ernyőzve is már jelentős hatásfokjavulást érünk el. Mivel az ernyő kevés helyet foglal el az égéstérben az utólagos beépítésére is megvan a lehetőség. Túlhevített üzemanyag befecskendezés Ismeretes, hogy a dízel motorok működése során korom részecskék és nitrogénoxidok keletkeznek, amelyeknek a mennyiségét utókezeléssel kell csökkenteni. A korom részecskék akkor keletkeznek, amikor a befecskendezett üzemanyag apró cseppjei túlmelegszenek, és a cseppben lévő üzemanyag molekulák széttöredeznek, és nehezen égő szén atomok keletkeznek. A cseppek határfelületénél, 1500 C foknál magasabb hőmérsékleten pedig a levegő oxigénje a nitrogén molekulákkal egyesülve létrehozza a káros nitrogénoxidokat. Gáz halmazállapotú üzemanyag égésekor alig keletkezik koromrészecske és mivel nincs határfelület, ezért túlmelegedett tartomány sincs, ahol nitrogénoxid keletkezne. A találmány szerinti megoldással túlhevített üzemanyagot fecskendezünk be, ami befecskendezés után az égéstérben azonnal átalakul gáz halmazállapotúvá. Ehhez az üzemanyagot nyomás alatt, zárt térben melegítjük és meggátoljuk a hidrogén eltávozását. 4.ábra A befecskendező fúvókában kialakított üzemanyag melegítő kamra A melegítésre az égéstér hengerfalba távozó hőjét használjuk. Ennek energetikai hatása kettős. Egyrészt kevesebb hűtést kell alkalmazni, másrészt az égés hőmérsékletét nem csökkenti az üzemanyag égési hőmérsékletre történő felmelegítéséhez szükséges energia. A hő átadó kamrát a befecskendező fúvókában alakítjuk ki a 4. ábra szerint. Csak annyi üzemanyagot melegítünk fel, amely egy befecskendezéshez szükséges. A befecskendező tű kenését változatlanul a hideg üzemanyag biztosítja. A hő átadó kamra felületét a lerakódások elkerülése érdekében megfelelő bevonattal látjuk el. Ilyen lehet a kobalt-molibdén oxiddal történő bevonás, vagy benzin befecskendezésnél a teflonbevonat. Az injektor fúvókája cserélhető elem, ezért az utólagos alkalmazás is könnyen megvalósítható. A Common Air feltöltési eljárás előnyei Az egyik előnye, hogy a motoron belül, külső mozgó eszköz felhasználása nélkül megvalósítható a három lökettérfogatnyi feltöltés, és a feltöltés mértéke egyszerűen szelepekkel szabályozható. - 5 -
A további előnyöket az 5. ábra szerinti szívó motor és Common Air motor összehasonlítása alapján ismertetjük. Az ábrán az ugyanannyi levegőt felhasználó szívó motor és Common Air motor hengerének egy egyszerűsített metszete látható. Mivel a Common Air motor lökettérfogata harmad akkora, mint a szívó motoré, de háromszoros levegő mennyiséget használ fel, ezt az ábrán a henger meghosszabbításával ábrázoltuk. Mindkét motornak a hengere un. négyzetes henger, ahol a henger átmérő és lökethossz egyforma. Az ábra szerint lencse alakú égéstér a Common Air motornál nagy kompresszió viszony esetén is könnyen kialakítható, amelynek az előnye a tagolás mentesség. Szívó motornál nagy kompresszió viszony esetén túl lapos az égéstér, ezért a dugattyúban alakítanak ki megfelelő üreget. A tagolással azonban nő az égéstér felület és nagyobb örvénylés alakul ki. Mindkettő növeli a hőveszteséget. 5. ábra Szívómotor és Common Air motor összehasonlítás Az összehasonlításhoz egy 4 hengeres 1800 cm³ lökettérfogatú szívómotor egyik hengerét használtuk. Ennek a hengernek a lökettérfogata 450 cm³. Kompresszió viszonynak ε=19 választottunk. Az 1. táblázat a geometriai méreteket foglalja össze. Szívómotor Common Air motor % Henger átmérő [cm] 8,3 5,76 69 Löket hossz [cm] 8,3 5,76 69 Égéskamra magasság [cm] 0,46 0,96 208 Égéskamra térfogat [cm³] 25 25 Égéskamra felület [cm²] 120,48 69,49 57 Dugattyú kerület [cm] 26,07 18,09 58 Dugattyú tető felület [cm²] 54,1 26,06 48 Dugattyú középsebesség [m/sec] 13,8 13,08 Megengedhető fordulatszám [1/min] 5000 7200 144 1. táblázat - 6 -
A % oszlopban a szívómotorhoz képest a Common Air motor megfelelő adatainak százalékos értékeit tüntettük fel. A táblázat alapján a geometriából származó előnyök: - Az égéskamra térfogat/felület aránya 57%-kal kedvezőbb a Common Air motorban, csökken a hőveszteség. - A dugattyú felület 48%-kal kisebb, ennyivel csökken a hajtóművet terhelő erő. - A dugattyú kerület 58%-kal kisebb, ennyivel csökken a dugattyúgyűrűk súrlódása. - Azonos dugattyú középsebesség esetén 44%-kal magasabb a fordulatszám engedhető meg a Common Air motorban, mert a lökethossz rövidebb. A Common Air motorban a dugattyú kenése az alsó holtpontban, a dugattyú gyűrűk közé fecskendezett kenőanyaggal történik. A dugattyú kenéséhez más kenőanyagot használunk, mint a hajtómű kenéséhez. Így mindkettőhöz a legoptimálisabban tudunk választani. A hajtómű kenése a sebességváltó kenéséhez hasonló, gyakorlatilag a motor teljes élettartamára megoldott. A dugattyú megvezetése és megtámasztása hengergörgős csapággyal a hengeren kívül történik, jelentősen csökkentve a súrlódási erőt. A dugattyú teljesen hengeres alakú és a hengerpalásttal nem érintkezik, a hengerkopás is teljesen henger alakú, a tömítés hosszú ideig tökéletes. Változó szelepvezérlés helyett a Common Air csőben beállított nyomással minden fordulatszámon tudjuk biztosítani a 3 lökettérfogatnyi feltöltést. A Common Air motor hőmérséklet szintjét tudjuk szabályozni. Erre egyik lehetőségünk a hűtésnélküli és a lehűtött feltöltő levegő keverése. A másik lehetőség a feltöltő tartály nyomásszintjének szabályozása. Magasabb tartálynyomásnál több hőt vezetünk el a feltöltő levegő hűtésekor. Feltöltéskor a tartályból kiáramló levegő lehűl és az adiabatikus sűrítés során a tartály nyomását elérve lesz újra tartály hőmérsékletű. Tehát magasabb tartálynyomást alkalmazva egy nagyobb sűrítésű pontban lesz környezeti levegő hőmérsékletű a hengerben a levegő, és ettől a ponttól a teljes sűrítésig már kevesebbet kell sűríteni, mint egy kisebb sűrítési ponttól. Így végső soron a sűrítési véghőmérséklet alacsonyabb lesz. Alacsonyabb hőmérsékletű égéskor az izentrópikus kitevő kevésbé csökken, ezért nő a hatásfok. P[bar] 60 45 30 Szívó motor nyomás Szívó motor középnyomás Common Air motor nyomás Common Air motor középnyomás 15 0 19,0 4,8 2,7 1,9 1,5 1,2 1,0 [ɛ] 6. ábra Nyomás és középnyomás összehasonlításhoz A 6. ábrán sűrítés során kialakuló nyomást és középnyomást ábrázoltuk. A Common Air motor sűrítési végnyomása kisebb, mint a szívómotoré. A hajtóművet terhelő erő a kisebb végnyomás és kisebb dugattyú felület miatt lényegesen kisebb a Common Air motorban. A középnyomás viszont nagyobb, ezért a forgatónyomaték egyenletesebb. - 7 -
Ciklus hibrid üzemmód Ismeretes, hogy a belsőégésű motorok részleges terhelésen rossz hatásfokkal üzemelnek. Mivel a Common Air motornál a hengerek feltöltése lekapcsolható, ezért részleges terheléskor lekapcsoljuk egyes hengerek feltöltését és motorként nem működtetjük, csak a kompresszorként használjuk. A működő hengereket teljes feltöltéssel vagy túltöltéssel járatjuk. Az egyenletes forgató nyomatékot a villanymotor szabályozásával biztosítjuk. Ehhez a villamos energiát csak a munkaciklus idejére kell tárolnunk. A ciklus hibrid elnevezés ebből származik. A lekapcsolt hengerek által összegyűjtött levegőt tároljuk vagy a működő hengerek túltöltéséhez három lökettérfogatnyi levegőtől több levegővel történő feltöltéséhez használjuk fel. Ezzel megvalósítjuk a változó kompresszió viszonyú működést és ehhez csak szelepeket kell állítani. Összehasonlítva a mechanikus feltöltésű vagy a turbó feltöltésű motort a túltöltéssel üzemeltetett Common Air motorral a Common Air motor valódi változó kompressziót valósít meg, mert a terjeszkedés a turbógenerátorban folytatódik. Fékezéskor az akkumulátor mellett a feltöltő tartályt is töltjük, ezért kisebb akkumulátor csomag használható. Tartós féket alkalmazó járműveknél ez különösen előnyös. Gyorsításkor nemcsak a villanymotor, de a belsőégésű motor is azonnal nagyobb teljesítményt tud leadni. Ez azért lehetséges, mert a feltöltő levegő a tartályban mindig rendelkezésre áll és gyorsításkor három lökettérfogatnyi levegőnél többel tudjuk feltölteni a motort. Együttes előnyök Az Common Air feltöltés, az ernyőzés és a túlhevített üzemanyag befecskendezés különkülön is alkalmazható, de együttes alkalmazásuk egymás hatását erősíti 2. táblázat szerint. Közös levegő feltöltés Ernyőzés Túlhevített befecskendezés Közös levegő feltöltés Kipufogógázba jutó energia is hasznosul Jobb üzemanyag keveredés Ernyőzés A nagyobb örvénylés különösen előnyös Égésgátlás csökkentése fal mellett Túlhevített befecskendezés Kisebb befecskendezési nyomás Későbbi befecskendezési időpont 2. táblázat Common Rail - Common Air analógia A Common Rail befecskendezés és a Common Air feltöltés között nagyon sok a topológiai és működési hasonlóság, amit a 3. táblázatban foglaltunk össze. Állandóan rendelkezésre áll Elektronikusan szabályozható Common Rail befecskendezés Nagynyomású üzemanyag Időpont Tömeg Common Air feltöltés Nagynyomású töltő levegő Hőmérséklet Tömeg 3. táblázat - 8 -
Common Air feltöltés - turbó feltöltés A Common Air feltöltésnél minden fordulatszámnál biztosított a feltöltő levegő mennyiség, gyorsításkor nincs turbó lyuk. Hirtelen gáz elvételkor nem kell kiengedni a feltöltő levegőt és nagy fordulatszám esetén sem kell leszabályozni a turbinát. Fékezéskor a kompresszorok a fékezési energiát a feltöltő levegő sűrítésére használják. Ez nagyon hatásos motorfék, amely tartós fékként is használható. A kipufogógáz turbógenerátorral történő hasznosításával kvázi Atkinson ciklust valósítunk meg. A turbinát a legjobb hatásfok elérésére tudjuk méretezni és sokkal alacsonyabb fordulatszámon tudjuk üzemeltetni, mint a turbó feltöltőt. Common Air motor hatásfoka Common Air motorban alkalmazott megoldások energetikai hatását a 7. ábrán Sankey diagramon ábrázoltuk. 7. ábra Common Air motor energia mérlege A súrlódási veszteség legnagyobb része a dugattyúsúrlódás miatt keletkezik. Csapágyazás miatt ez jelentősen csökken. Jól követhető az ábrán az ernyőzés hatása és turbógenerátor alkalmazásával nyert hasznos munka. Összegzés A Common Air feltöltés miatt a motor lökettérfogata 3-szor kisebb, mint a hasonló teljesítményű szívó motor lökettérfogata. A hatásfok a kisebb égéskamra felület, az ernyőzés, a csapágyazott hajtómű, a túlhevített üzemanyag befecskendezés miatt közel duplája a jelenlegi belsőégésű motorokénak. Azonos dugattyú középsebesség esetén a megengedhető fordulatszám másfélszeres a szívó motorhoz képest. Ezek számszerűsítve: 3 * 2 * 1.5 = 9. Ideális esetben, tehát a Common Air motor lökettérfogata 9-ed része egy szívó motor lökettérfogatának. Természetesen a villanymotor, a turbógenerátor, a feltöltő levegő tartály miatt az össztérfogat nem ilyen mértékben csökken. A Common Air motornak szerves része a villanymotor, ezért nagyobb akkumulátor alkalmazásával plugin hibrid motor alakítható ki. Az akkumulátoros elektromos autók távolság növelő kiegészítőjeként (range extender) előnyösen alkalmazható a kis mérete miatt. Várjuk észrevételeiket, kérdéseiket elérhetőségeinken: commonairengine@gmail.com info@commonairengine.com Budapest, 2017.04.08. - 9 -