Avtor in izumitelj: Ivan Koderman
Ježa 95
1231 Ljubljana-Črnuče
Tel.: 384 1 561 34 18
E-mail:
koderman.ivan@siol.net
NEKAJ O MOTORJU (Slovensko)
Od prvega poizkusa Jamesa Watta, kako ujeti energijo, ki jo ponuja narava in jo kar se da uspešno spremeniti v koristno delo, je preteklo že kar veliko časa. V vsem tem obdobju so se različni konstruktorji in izumitelji trudili, da bi izvirne naravne energije, čim uspešneje koristili za kar se da največ koristno opravljenega dela. Poizkusi so bili raznovrstni in so koristili dokaj različne prijeme. V vseh primerih, pa je bila skupna ideja povišanega tlaka, plinskega ali parnega medija v nekem prostoru. Tlak medija je s svojim delovanjem na premično steno, najpogosteje čelo bata, omogočil, preko te stene, obračanje neke gredi. Vrtilni moment gredi pa je bil že tudi želeni končni cilj. Omenjene tri elemente, ti so: postopek zvečanja notranje energije plina, oblika odrivne stene in pa način delovanja te stene na od gonsko gred, pa so tvorci izvedb udejanjali na zelo različne načine. Najbolj znani so: dvig tlaka plina ali proizvodnja vodne pare v kotlu, zamenjava medijev v pred gretem prostoru in zgorevanje znotraj delovnih prostorov. Pri tem je za potek procesa koristen valjasti prostor, klinasti prostor pri vrtljivih batih, lamelni prostor, lopatični prostor pri turbinah itd. Prenos sile odrivne stene, pa je potekal preko elementov kot so: sestav batnica ojnica, bat ojnica in z delovanjem v neposredni vrtilni moment gredi.
Pri vseh sistemih pa se je ugotovilo, da je osnovno dejstvo, to je širjenje plinov, najugodnejše in najučinkovitejše v obliki krogle. Za praktično uporabo primerne rešitve odrivne stene, ki bi v takšni obliki večala svojo prostornino še ne poznamo. Najuspešnejši v tem smislu, se je izkazal valjasti prostor, ki je po svoji obliki najbližji kroglastemu prostoru. Valjasti prostor je z namestitvijo bata in znanim tesnjenjem, najlažje in najpopolnejše obvladljiv.
Še iz obdobja parnih lokomotiv je znano, da je koristno ob uporabi valjastega prostora, za delovanje bata na gred, uporabiti batnico. Takšno delovanje bata na gred omogoča batu dvostransko delovanje. Z batnico so izločeni bočni pritiski bata na steno valja. V strojništvu se takšna oblika prenosa označuje z neskončno ojnico. Rešitev prenosa v taki obliki se je ponudila z izumom zobniško ročičnega mehanizma za spremembo vzdolžnega gibanja v krožno. V navedenem mehanizmu, od gonski ročični tečaj gredi ne opravlja več krožno gibanje in obračanje okoli lastnega središča. Tako gibanje poznamo pri znani, fiksno v ležajni, ročični gredi. V gornjem mehanizmu ročični tečaj upravlja premočrtno gibanje in proti obračanje okoli lastnega središča. Premočrtno gibanje ročičnega tečaja je doseženo s tem, da je ta sestavni del proti smerno rotirajoče planetne ročične gredi.
Planetna ročična gred s svojim ležajnim tečajem potiska od-gonsko gred, krožno okoli središča odgona. Premočrtno gibajoči ročični tečaj planetne ročične gredi omogoča obojestransko namestitev batnice. Batnica povezuje dva, nasproti nameščena, v uvodu odstavka navedena, valjasta prostora z batoma, ki ne pritiskata bočno na stene valjev. Izvedba mehanizma je takšna, da omogoča pravokotno namestitev, podobnega ali pa povsem enakega, para dveh valjev. Glede delovanja na od gonsko gred, sta valja za 90° fazno zamaknjena. Ročične tečaje, planetne ročične gredi na katero tako nameščena para valjev delujeta, poenostavljeno ponazorimo kot gibanje dveh točk na obodu kroga. Pri tem ena od teh točk opravlja sinusno, druga za 90° zamaknjena pa ko-sinusno gibanje. Predpostavimo da celoten hod na točki delujemo z enakomerno, premo potisno silo. Pri tem ponazorjeni točki, kot ročična tečaja planetne ročične gredi, delujeta ves zasuk krožno, s povsem enakomerno obodno silo na ležajnem tečaju planetne ročične gredi. Ležajni tečaj planetne ročične gredi pa enakomerno krožno potiska od gonsko gred. Opisano delovanje se izračunava po znani enačbi :
(sinß)^2 + (cosß)^2 = 1. Izvedeno omogoča, da mehanizem v nadalje ne potrebuje vztrajnika. Planetna ročična gred s paroma batnic in štirimi bati, pa je dinamično povsem obvladljiva in enostavno uravnoteživa, z nasproti nameščeno proti maso. Mehanizem, konstruiran v takšni obliki, je izveden tako, da vsi elementi prenosa delujejo na oljnih filmih. Zaradi tega in pa načina gibanja je zmožen izredno visoke vrtljivosti, do 25000 obratov na minuto in več, brez ogrožanja njegove življenjske dobe. Nasprotno, takšna konstrukcija kljub izredno visokim vrtljajem, omogoča celo daljšo življenjsko dobo, kot je ta pri drugih znanih izvedbah. Sam proces doseganja proti vrtljajev in paralelnosti gibanja planetne ročične gredi, je dosežen s pomočjo para razmaknjenih zobatih vencev z notranjim o zobljem. Središčno, glede na ohišje, vgrajena zobata venca predstavljata del ohišja mehanizma. Proti smerne vrtljaje pa omogoča po notranjosti para zobatih vencev, kotaleč se, na planetno ročično gred, nameščen par zobnikov. Ta par ima le polovično število zob, oziroma polovični premer, premera kotalnih krogov zobatih vencev. Pri tem pomanjkljivost, da isti zob, zobnikov planetne ročične gredi, prijemlje vedno v isto vrzel, zobatega venca z notranjim o zobljem, ni kritična. V prijemu je vedno istočasno večje število zob. Proti ukrivljenost v-prijemajočih zobnih stranic je majhna, prijem zoba pa v z razpršenim oljem zalito zobno vrzel. Z navedenimi lastnostmi je možnost prebojev oljnega filma izključena in praktično onemogočen medsebojni kovinski dotik zob zobnikov. Z 2 krat V+ korekturo parjenih zobnikov, ki je izvedena v razmerju števila zob obeh zobnikov, pa je dosežen prenos takšne kvalitete, ki omogoča najvišjo stopnjo izkoristka.
Lastnost mehanizma je torej, da na dveh delovnih tečajih združuje štiri, po obodu na različne strani nameščene valje. Če upoštevamo, da je tudi pod batni prostor delovni, torej batnice spodaj tesnjene, deluje na samo dva gnana tečaja, kar osem delovnih prostorov. Da bi obvladoval krmiljenje, to je pogon zapornih ventilov, v tako različno nameščenih valjih, se je izkazalo kot praktično, da je tudi planetna ročična gred, pogonska za krmiljenje ventilov. S tem pa planetna ročična gred prevzame vse obveze tako imenovane odmične gredi, pri znanih štiritaktnih motorjih. Potrebno je bilo zagotoviti, da je sistem dovolj hiter in zapiranje zapornih elementov, pri vrtljajih, okoli 25000 na minuto, zanesljivo in pravočasno. Pogon krmiljenja je bilo nujno izvesti tako, da so vsi ventili v smeri odpiranja ali zapiranja, gnani prisilno in je samo njihova končna lega zagotavljana vzmetno. Ideja, namestitve dveh nasproti stoječih valjev z bati, je imela za cilj, obvladati štiri delovne prostore z enim togim elementom, to je z batnico z dvema batoma. Takšen sklop, pri enkratnem gibu, od zgornje do spodnje lege, opravi istočasno spremembo plinskega procesa, v štirih delovnih prostorih. Za svoje avtonomno delovanje, pa tudi ni odvisen od nadaljnje povezave na pogonski mehanizem. Dejstvo, da plinski procesi običajno potekajo po vrstnem redu; sesanje, stiskanje, ekspanzija, izpuh, zahteva za odvijanje, teh procesov istočasno, štiri delovne prostore. Z zgoraj navedeno izvedbo, je to tudi izvedljivo. Zato je zaradi toge, medsebojne zveze razlika tlakov plinskih procesov, rezultat delovanja na od-gonski ročični tečaj. Torej deluje na ročični tečaj samo tisti del pritiska, ki ga koristimo za odgon. Naj ob tem, primerjamo klasični ojnični mehanizem, znanega štiritaktnega motorja, kjer se namesto razlike čisto so-osne, obremenitve samo enega sklopa na ročični tečaj, pojavljajo štirje bočni pritiski na bate, štiri nagnjene ojnice, s štirimi različnimi kotnimi obremenitvami ročične gredi. Ko pri tem naštejemo še število elementov, ki se vsak zase različno gibljejo, potem v prvem primeru ugotavljamo, dva para batnic z bati, planetno ročično gred, dve pol-od-gonski gredi, odgon za prilagoditev vrtljajev, ki je lahko tudi izvedljiv kot avtomatski menjalnik in ohišje, torej sedem elementov. Pri klasičnem štirivaljnem motorju pa naštejemo, štiri bate, štiri ojnice, od-gonsko gred in ohišje, kar da skupno 10 elementov. Pri tem moramo upoštevati, da imamo v prvem primeru, na razpolago osem delovnih prostorov, namesto štirih, kot v klasičnem štirivaljnem motorju. Poleg tega gornji primer ne potrebuje vztrajnika, torej je s tem tudi za težo vztrajnika, lažji kot klasični štirivaljni motor.
Znani štirivaljni motorji, iz ekonomskih razlogov, ojnice in bočnih pritiskov batov na stene valja, ter zadostnega časa za čim popolnejše izgorevanje ter hlajenje, delujejo z okoli pet tisoč vrtljaji. Zobniško ročični mehanizem pa omogoča, brez bistvenih posledic za mehanizem, petkratno navedeno vrednost klasičnih štiritaktnih motorjev, to je do 25000 obratov v minuti. Glede na klasične, izvedba torej omogoča petkrat več predelane plinske zmesi v enakem časovnem intervalu in enaki prostornini valjev. S tem v zvezi pa ima ročično zobniški mehanizem sorazmerno petkrat večjo zmožnost opravljanja dela. Za enako delovno zmožnost, pa za navedeno zadostuje petkrat manjša prostornina valjev. Enak končni izhod je torej dosežen z dosti lažjim motorjem. Nepotrebnost vztrajnika pa povrhu dodatno zmanjšuje težo, z obzirom na znane izvedbe motorjev. Prednost gornje izvedbe je v tem, da njena značilnost neskončne ojnice, omogoča izvedbi dolgo-hodno gibljivost batov. Dolgo-hodna gibljivost bata ustvarja ekspanzijo v procesu delujočih plinov, do dovolj nizkega tlaka, da ta tudi termodinamično omogoča povišanje izkoriščenosti. Mehanizem omogoča veliko število hodov batov, približno 25000 v minuti. V cilju čim boljše ekspanzije je za primer vzeto, razmerje premera bata proti hodu 1 : 3. Ob izvedbi zobnikov 20 zob na 40 zob in z o-zobljem, ki ima modul zob 2 z nagibom 20°, omogoča 80 mm hod bata. Ob takšnem hodu in vrtljajih 16000 do 25000 na minuto, pridobi bat v sredini hoda hitrost do 110 m v sekundi. Poudariti je potrebno, da tu bat giblje brez kakršnihkoli bočnih pritiskov na steno valja. Dejstvo je, da najbolj primerna mešanica bencinskih hlapov in zraka zmore največjo zgorevalno hitrost 30 m v sekundi. Torej bi v tem primeru bat, takšnemu izgorevalnemu procesu, ki bi bil vžgan v notranjosti valja, kar trikratno pobegnil. V primeru bi tako še vedno gorečo zmes, toplotno neizkoriščeno, potiskal v izpušni kanal. Ob tem nastopi potreba, da bi se bat dlje zadržal v zgornji mrtvi legi, to je vsaj toliko časa, da bi bil zgorevalni proces končan. Poleg tega pa iz verjetnostnega izračuna sledi, da je v manjšem prostoru, oziroma večji gostoti molekul z manjšo medsebojno oddaljenostjo, njihovo srečanje pogostnejše. Proces zgorevanja je s tem hitrejši in zanesljivejši. Takšno zadrževanje bata, v zgornji mrtvi legi, je tehnično izvedljivo s, posebej za tak namen izvedenim, kolisnim odgonom. Navedeni odgon pa znatno zmanjša kot učinkovitega delovanja kakor tudi dolžino hoda bata, torej kvari ekspanzijsko razmerje. Da bi vključil vse pozitivno v zvezi s predhodnim, sem iz-konstruiral motor z notranjim pred-izgorevanjem. Proces pa sem v celoti prilagodil zgoraj opisanemu zobniško ročičnemu mehanizmu, ki je tudi plod lastnega odkritja.
Cilj je bil dosežen s povsem novo izvedbo ventilov, tako v namen sesanja, stiskanja, polnitve in izpuha. Ventili so izvedeni tako, da omogočijo 99%-no izmenjavo medijev. Z dvakrat dvostopenjskim stiskanjem čistega zraka, v pod-batnih prostorih z različnimi debelinami batnic, je doseženo, stiskanje sesanega zraka iz okolice, na tlak 42 barov. Tako stisnjeni zrak se, izpod batnih prostorov, vodi v izgorevalni del. Izgorevalna komora je oblikovana kot cevasti prostor s keramičnim vložkom in aktivno prostornino primerljivo s prostornino valja v zgornji legi bata. V ta cevasti prostor se vbrizgava gorivo, meša z stisnjenim zrakom in vžiga. Z dolžino, v notranjosti iz keramičnih obročkov izvedenega, kanala pa do vstopa v valj pa se zagotavlja dovolj časa, za popolno do-gorenje. Izgorevanje se izvaja v dveh stopnjah. V prvi poteka izgorevanje vbrizganega goriva, s primanjkljajem zraka-kisika (0), v monoksid. V drugi stopnji pa poteka zgorevanje monoksida s preostalim stisnjenim zrakom v dioksid. Torej gre za proces, ki se pri sodobnih motorjih praktično izvaja šele v katalizatorjih. Namen obročastih keramičnih členkov je preprečevanje izgub toplotne vrednosti plinov. Členki so obremenjeni samo toplotno, ne pa tudi drsno in tlačno, kot je to z keramiko izvedeno v nekaterih sodobnih prototipih motorjev. Plini pripravljeni za svoje tlačno delovanje so se sposobni razširjati s hitrostjo do 600 m v sekundi in tudi več (znano iz hitrosti izstrelkov iz cevi puške in drugega strelnega orožja, kjer pa je vidno opazen znaten zaostanek tako imenovanega kemijsko zgorevalnega-procesa, še posebno je v temi vidna, znatna zakasnitev iz cevi prihajajočega ognjenega zublja za svetlikajočimi izstrelki). Dogorele pline, s čim višjo notranjo toplotno energijo in tlakom približno 40 barov, ritmično doziramo mimo v-pustnega ventila v valj. V valju se, procesno povsem dogoreli plini, lahko razširjajo z zadostno hitrostjo, z obzirom na največjo hitrost bata v njegovem srednjem položaju, ki znaša 110 m v sekundi. Tu se s podaljšano ekspanzijo plinov doseže čim nižja temperatura in tlak, zatem pa se pline potisne v izpušni kanal. Zaradi neekonomičnosti namestitve keramike, v elementih spoja kanalov z valji, na zapiralnih elementih za v-pust in v notranjosti valja, pa je izvedeno preventivno hlajenje. To je izvedeno z ustvarjanjem ovojnice hladnejših plinov pare, okoli vročih plinov. Vroči plini pri tem s precej veliko hitrostjo, približno 25 m v sekundi vstopajo v valj. Hladilno zaščitna ovojnica sestoji s pomočjo zaslona v obod kanala vbrizgane pred-grete vode, ki kot vodna para, predstavlja težji medij. Ta težji medij je potisnjen ob stene kanalov zaradi prodiranja, v zgorevalnem kanalu že predhodno pridobljene večje hitrosti, prodirajočih lažjih dogorelih plinov. Hladilni obroč vroče pline ovija in predstavlja vmesno plast med vročimi plini ter kovinskimi površinami. Ta preventivno hladilna ovojnica, ki služi tudi kot plinsko mazalni medij, se na svoji poti, do vstopa v sam valj, toplotno hrani. Hladilni medij pa za izgubo uparjalne toplote na cilju v valju tudi sam opravi določeno delo. Voda se, na kritičnih mestih, potrebnih zunanjega hlajenja, pred-greva in vbrizgava ritmično. Dozira se s primerno odprtostjo šobe, sorazmerno glede na zahtevano temperaturo stene kanala oziroma motorja.
Opisani projekt nam nudi sledeče prednosti: sesanje in stiskanje čistega zraka, kar izključuje možnost predčasnega samovžiga, znanega pri stiskanju mešanice goriva in zraka. Stiskanje take mešanice zaradi predčasnega samovžiga zahteva posebne kvalitete goriv. Vžig goriva je določen s trenutkom vbrizga goriva, ki kot pri Dieselu, zmanjšuje zahtevnost kvalitete goriva. Omogoča neprekinjeno in časovno manj omejeno izgorevanje, pri stalnem tlaku, ločeno od v notranjosti gibajočih delov. To omogoča zelo enostavno zajemanje vzorcev za analizo stanja do-gorenja in zmanjšuje zahtevnost, trenutka in pa tlaka vbrizga goriva. Poleg tega poenostavlja sistem vžiga, zmanjšuje število vžigalnih in vbrizgalnih mest na eno samo ter zagotavlja, ekološko edino opravičljivo, popolno dogorevanje. Omogoča pa tudi popolno sprostitev notranje energije goriva ter kontrolo procesa z namestitvijo sond in tipal. Vse stopnje procesa so med seboj ločene, zato so časovno, kot tudi prostorsko opredeljene, obvladljive in enostavno nadzorovane. Seveda so vse navedene koristi pridobljene, za ceno pretočnih izgub. Te pa so veliko manj škodljive, kot pa nudijo zgoraj navedene pridobitve. Sistem torej omogoča izredno-lahko izvedbo motorja, z ekološko neoporečnim neprekinjenim izgorevanjem. Omogoča tudi manjšo porabo goriva ter lažji zagon motorja, zaradi postopnega dviga tlaka v izgorevalnem delu. Izgorevalni proces je popolnejši, ker temelji na verjetnostnem izračunu z obzirom na možnost spajanja zgoščenih, prosto se gibajočih molekul, v časovno dlje časa trajajočem izgorevanju, v manjšem prostoru. Do-gorenje plinov omogoča preventivno, za delo dodatno uporabljivo hlajenje, vitalnih delov motorja v hrapavosti notranjih površin kanalov s hladnejšo ovojnico. Hladilna ovojnica razen preventivnega hlajenja, ustvarja tudi nekakšno plinsko parno mazanje, notranjosti kanalov. Tvori hladilni obroč okoli že dogorelih pretakajočih se, vendar na cilju še vedno čim bolj, vročih plinov. To preventivno hlajenje omogoča nekajkrat večji pretok toplote, kar nadalje ruši do sedaj znane omejitve velikosti naprave. Količina predelane toplotne energije, je bila omejitvena, zaradi zunanjega hlajenja in omejene maksimalne toplotne prevodnosti materialov (takšno plinsko parno mazanje z, v konicah pripravljeno hladilno tekočino za iztiskanje, seveda za primeren stimulans, priporočam za razne izstrelke, kjer se s tem menja relativna hitrost površina-medij, s tem pa domet in manjša notranje napetosti v materialih zaradi, s preventivnim hlajenjem nastopajočih, manjših temperaturnih razlik, primerno pa je tudi za rakete, avione, vračanje kozmičnih ladij v atmosfero npr. Shuttella, čelne robove toplotno obremenjenih turbin itd). Končno pa izvedba motorja omogoča še podaljšano razširjanje že dogorelih plinov v ločenem prostoru, kjer se torej opravlja samo koristno delo. Plini pa so, z obzirom na kemični proces izgorevanja, med razširjanjem povsem uravnoteženi. Učinek ekspanzije pa se prenaša preko bata, brez bočnih pritiskov na stene valja in seveda z razliko tlakov štirih delovnih taktov, neposredno na od-gonski ročični tečaj. Sistem je perspektiven tudi za delovanje na vodik. Tako ponuja koriščenje obsežnih svetovnih pustinj za izvedbo tovarn solarne proizvodnje vodika in s tem toplotno in kemijsko zaključeno, torej ekološko naravno ravnovesje. IVAN KODERMAN str. ing.