PL B1. POLITECHNIKA KRAKOWSKA IM. TADEUSZA KOŚCIUSZKI, Kraków, PL BUP 07/05

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. F02B 75/26 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Wielocylindrowy, dwusuwowy silnik spalinowy (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA KRAKOWSKA IM. TADEUSZA KOŚCIUSZKI, Kraków, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 07/05 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 01/11 (72) Twórca(y) wynalazku: STANISŁAW JARNUSZKIEWICZ, KRAKÓW, PL KRZYSZTOF ŚLIWIŃSKI, KRAKÓW, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Vasina Stanisław Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki Sekcja Ochrony Własności Intelektualnej PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest wielocylindrowy, dwusuwowy silnik spalinowy, którego cylindry usytuowane są równolegle w układzie koncentryczno-rewolwerowym wokół osi wału. Znany silnik dwusuwowy, przedstawiony w polskim opisie zgłoszenia wynalazku nr P , posiada nieruchomy korpus z tulejami cylindrowymi, których osie usytuowane są równolegle i w układzie koncentryczno-rewolwerowym wokół osi wału. W każdej tulei cylindrowej osadzone są po dwa tłoki, poruszające się przeciwsobnie i których denka zamykają wspólną komorę roboczą. Ruch tłoków wyznaczony jest przez sztywno połączone z nimi rolki, współpracujące z poosiowymi, sinusoidalnie ukształtowanymi krzywkami. Stopień sprężania regulowany jest przez zmianę faz krzywek. W rozwiązaniach silników przedstawionych w opisach patentowych US , ER i EP tłoki połączone są bezkorbowo z tarczą naciskową, która łożyskowana jest względem osi pochylonej pod katem do osi wału. Kąt pochylenia tarczy naciskowej regulowany jest przez zespół nastawczy. Znany jest również z niemieckiego opisu wynalazku DE silnik, w którym do czołowych powierzchni rewolwerowo usytuowanych tulei cylindrowych przylega obrotowa płyta rozrządu, osadzona na wale silnika. Płyta rozrządu posiada koncentryczne względem osi wału kanały wylotowy, płuczący dolotowy, połączone odpowiednio z zespołami tworzenia mieszanki palnej i wylotu gazów spalinowych. Silnik według niniejszego wynalazku ma korpus w postaci sztywno zamocowanego na wale wirnika, objęty nieruchomą obudową z którą połączona jest płyta rozrządu. Każdy tłok na końcu przeciwległym do płyty rozrządu ma wystający z wirnika kołnierz zewnętrzny, którym styka się bezpośrednio z powierzchnią tarczy naciskowej obciążony poosiowo sprężyną. Tarcza naciskowa połączona jest z wałem przez przegub wahliwy, poosiowo przesuwny a z drugiej strony opiera się poprzez łożysko wzdłużne o płytę oporową zespołu nastawczego. Płyta oporowa zamocowana jest wahliwie na osi łożyskowanej w obudowie prostopadle do i w odległości od osi wału nie mniejszej od wymiaru promienia, najdalej odległego od osi wału punktu krawędzi kołnierza zewnętrznego tłoka. Na drugim końcu płyta oporowa połączona jest z mechanizmem wychylającym. Silnik o przedstawionym układzie kinematycznym ma znacznie prostszą konstrukcję od dotychczasowo znanych. Zamiana ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków na ruch obrotowy wału, dokonywana jest poprzez orbitalne oddziaływania składowych sił, które występują w punktach styku kołnierzy zewnętrznych tłoków z tarczą naciskową, pochyloną pod kątem względem osi wału. Podczas każdego obrotu odległość od osi wału punktu styku tłoka zmienia się w zakresie wymiaru średnicy jego kołnierza zewnętrznego. Dodatkowym efektem jest wymuszony obrót tłoków w tulejach cylindrowych, korzystny ze względów tribologicznych. Układ kinematyczny silnika i zespołu nastawczego kąta pochylenia tarczy naciskowej stanowią, że regulacja obciążenia silnika dokonywana przez zmianę skoku tłoków odbywa się z zachowaniem tej samej sprawności napełniania cylindrów i przy tym samym stopniu sprężania. Korzystnym jest, gdy kanały wymiany ładunku wykonane są w płycie rozrządu na połówce, która w widoku poosiowym jest dalszą od osi płyty oporowej oraz na dwóch promieniach zewnętrznym i wewnętrznym w ramach strefy pierścieniowej wyznaczonej obrotem powierzchni otworów tulei cylindrowych. Na jednym z promieni kolejno występują kanał wylotowy i kanał doładowujący z zabudowanym wtryskiwaczem paliwa a na drugim kanał płuczący i kanał dolotowy. Między wspólnym dla kanału wylotowego i kanału płuczącego punktem zamknięcia i wspólnym dla kanału doładowującego i kanału dolotowego punktem otwarcia znajduje się strefa odcięcia, której kąt środkowy jest nie mniejszy od kąta odpowiadającego średnicy otworu tulei cylindrowej. Takie rozmieszczenia kanałów wymiany ładunku umożliwia zrealizowanie niesymetrycznego układu rozrządu z wyeliminowaniem straty wylotowej. Zapłon w silniku według wynalazku może być inicjowany przez świecę żarową wbudowaną w płytę rozrządu w strefie, która w widoku poosiowym jest najbliższa osi wychylania płyty oporowej. Silnik pracować również może przy samozapłonie kontrolowanym wielkością stopnia sprężania HCCI. W takim wykonaniu zapłon wywołany jest przepływem niewielkiej ilości gorących gazów spalinowych przez kanalik zapłonowy w płycie rozrządu, usytuowany w strefie, która w widoku poosiowym poprzedza oś prostopadłą do osi wychylania płyty oporowej. Długość kanalika zapłonowego wyznaczona kątem środkowym jest nieco większa od kąta między krawędziami otworów tulei cylindrowych. Połączenie cylindra, w którym odbywa się spalanie z kolejnym cylindrem w którym występuje końcowa faza sprężania powoduje w tym drugim skokowy wzrost ciśnienia i temperatury - inicjujący samozapłon mieszanki.

3 PL B1 3 Kolejne rozwinięcia wynalazku dotyczą uszczelnienia tulei cylindrowych względem płyty rozrządu. Tuleje cylindrowe osadzone są w wirniku suwliwie, a sprężyny oddziaływujące na kołnierze zewnętrzne tłoków opierają się o czoła tulei cylindrowych. Rozwiązanie takie zapewnia ciągły poosiowy docisk czoła tulei cylindrowej do powierzchni płyty rozrządu, siłą która wzrasta w fazie sprężania ładunku. Dalsze usprawnienie w tym zakresie polega na tym, że tuleje cylindrowe po stronie czoła stykającego się z płytą rozrządu mają kołnierze wewnętrzne. Parcie ciśnienia gazu na kołnierz wewnętrzny tulei cylindrowej dodatkowo zwiększa siłę docisku w okresie występowania maksymalnych ciśnień spalania ładunku. Następne rozwinięcie wynalazku dotyczy prowadzenia tłoków silnika. Kołnierze zewnętrzne mają wywinięcia zwrotne, tworzące gniazda dla sprężyn a powierzchnie zewnętrzne wywinięć zwrotnych prowadzone są suwliwie w wirniku. Dodatkowe prowadzenie tłoka na powierzchni pokrywającej się z siłą oddziaływania na tarczę naciskową poprawia niekorzystne warunki pracy przy nieosiowym obciążeniu. Przy bardzo krótkich fazach dwusuwowej pracy wielocylindrowego silnika efektywną wymianę ładunku zapewnia sprężarka powietrza, połączona kolektorem dolotowym z kanałami płuczącym i dolotowym w płycie rozrządu. Rozwiązanie silnika według wynalazku cechuje prosta konstrukcja oraz bezdrganiowa praca. Pełne zrozumienie wynalazku umożliwia opis przykładowego wykonania silnika przedstawionego na rysunku. Na figurze 1 silnik pokazany jest w przekroju osiowym prowadzonym w płaszczyźnie wychylania płyty oporowej, ustawionej w położeniu największego skoku tłoków, fig. 2 i 3 przedstawiają przekroje wyznaczone liniami C-C i D-D na fig. 1 rysunku. Wewnątrz ożebrowanej obudowy 1 silnika, zamkniętej od góry pokrywą 17, znajduje się wirnik 2 łożyskowany pionowym wałem 3 w płycie rozrządu 27 zamykającej od dołu przestrzeń obudowy 1. W wirniku 2, w układzie koncentryczno-rewolwerowym wokół osi wału 3, osadzonych jest dwanaście tulei cylindrowych 4 z tłokami 6 uszczelnionymi przez pierścienie 7. Denka tłoków 6 zamykają przestrzenie robocze po stronie płyty rozrządu 27 a na przeciwległych, wystających z wirnika 2 końcach każdy tłok 6 ma kołnierz zewnętrzny 8, którym opiera się punktowo o tarczę naciskową 10. W przekroju poprzecznym ta strefa tłoka 6 ma ścianki ukształtowane w postać litery "U"; z obwodem kołnierza zewnętrznego 8 połączone jest wywinięcie zwrotne, obejmujące ze szczeliną końcowy fragment tłoka 6. Tuleje cylindrowe 4, o długości mniejszej od szerokości wirnika 2, osadzone są przesuwnie w wirniku 2. Powierzchnią czołową przylegają do płyty rozrządu 27 naciskane poosiowe przez sprężynę 9, która zamocowana jest między przeciwległą powierzchnią czołową tulei cylindrowej 4 i kołnierzem zewnętrznym 8 w szczelinie pod wywinięciem zwrotnym. Tarcza naciskowa 10 połączona jest z wałem 3 przez przegub 11 wahliwy, poosiowo przesuwny, zapewniający sprzężenie z wałem 3 przy różnych, nastawialnych kątach α między ich osiami. W tym wykonaniu przegub 11 stanowią: kulisty czep końcowy wału 3 z poprzecznym, obustronnie wystającym z czopa kołkiem, wprowadzony w walcowy otwór tarczy naciskowej 10 mającej dwa przelotowe rowki wzdłużne. Tarcza naciskowa 10 opiera się od góry przez łożysko wzdłużne 12 o płytę oporową 13, zamocowaną na osi 14 wychylnie w obudowie 1. Oś 14 usytuowana jest względem osi wału 3 prostopadle i w odległości e nieco większej od wymiaru promienia R, punktu krawędzi kołnierza zewnętrznego 8 najdalej odległego od osi wału 3. Położenie kątowe α płyty oporowej 13 nastawiane jest mechanizmem, którego osadzona na wałku 16 krzywka 15 oddziaływuje na drugi koniec płyty oporowej 13. W otworach tulei cylindrowych 4, bezpośrednio przy powierzchni czołowej, którą przylegają do płyty rozrządu 27, wykonany jest cienkościenny kołnierz wewnętrzny 5, spełniający funkcję tłoka wspomagającego docisk tulei cylindrowej 4 - proporcjonalnie do ciśnienia w komorze cylindra. Płyta rozrządu 27 zawiera kanały wymiany ładunku, wyprowadzone koncentrycznymi rowkami na powierzchnię czołową styku z tulejami cylindrowymi 4. Obwodowe rowki kanałów znajdują się w pierścieniowej strefie wykreślonej ruchem obrotowym otworów w tulejach cylindrowych 4, na połówce płyty rozrządu 27, która w widoku poosiowym jest dalszą od osi 14 wychylania płyty oporowej 13. Kanały usytuowane są na dwóch promieniach; na promieniu zewnętrznym kolejno występuje szczelina kanału wylotowego 24 i kanału doładowującego 26, natomiast na promieniu wewnętrznym szczelina kanału płuczącego 23a i kanału dolotowego 23b. Kanał płuczący 23a i kanał dolotowy 23b połączone są z kolektorem dolotowym 21 sprężarki powietrznej 19, napędzanej zębatą przekładnią pasową 20 od wału 3 silnika. Między wspólnym punktem zamknięcia A dla kanału wylotowego 24 i kanału płuczącego 23a, a wspólnym punktem otwarcia B kanału doładowującego 26 i kanału dolotowego 23b - występuje strefa odcięcia komory cylindra, której kąt środkowy β jest równy kątowi między promieniami

4 4 PL B1 obejmującymi otwór tulei cylindrowej 4. W kanale doładowującym 26 - współotwartym z kanałem dolotowym 23b przez okres około 37 - zabudowany jest wtryskiwacz paliwa 18. W opisywanym silniku zapłon mieszanki może być realizowany dwoma rozwiązaniami, skutecznymi w warunkach tak wysokiej - 12-tu zapłonów podczas każdego obrotu wału 3 - częstotliwości. Pierwsze rozwiązanie z zapłonem wymuszonym wykorzystuje inicjację od świecy żarowej 25, wbudowanej w płytę rozrządu 27 w strefie, która w widoku poosiowym jest najbliższa osi 14 wychylania płyty oporowej 13, czyli w strefie końca sprężania ładunku w komorze cylindra. Drugie z zalecanych rozwiązań stanowi samozapłon kontrolowany HCCI, wymuszony ciśnieniem sprężania z wcześniejszego cylindra przez kanalik zapłonowy 28. Kanalik zapłonowy 28 wykonany jest w płycie rozrządu 27 w strefie, która w widoku poosiowym poprzedza oś prostopadłą do osi 14. Długość szczeliny kanalika zapłonowego 28 wyznaczona kątem środkowym γ jest nieco większa od kąta między promieniami stycznymi do krawędzi otworów w sąsiadujących tulejach cylindrowych 4. Działanie silnika opiera się na obiegu dwusuwowym. Tłoki umieszczone w tulejach cylindrowych 4 krążąc wraz z wirnikiem 2 przemieszczają się poosiowo według orbit wyznaczonych nachyleniem α tarczy naciskowej 10 wirującej wraz z wałem 3 silnika. Zmiana kąta α płyty oporowej 13, dokonana poprzez obrót wałka 16 i zblokowanej z nim krzywki 15 powoduje odpowiednią zmianę skoku tłoków 6. Zmiana objętości skokowej następuje z zachowaniem stałego stopnia sprężania. W warunkach łożyskowania osi 14 w odległości e > R, stopień sprężania wyznaczony jest stałą geometrią wymiarów: odległości płaszczyzny roboczej tarczy naciskowej 10 od osi 14 oraz wysokością tłoka 6. Opis dwusuwowego obiegu pracy silnika przedstawiony jest procesem występującym w jednym z cylindrów, od momentu gdy znajduje się on w położeniu najbliższym osi 14 a jego tłok 6 najbliżej płyty rozrządu 27. Objętość komory cylindra jest minimalna i w tej strefie winien nastąpić zapłon ładunku. Rozpoczyna się faza z cyklem pracy, podczas którego tłok 6 obciążony ciśnieniem gazów spalinowych krawędzią kołnierza zewnętrznego 8 naciska na nachyloną tarczę naciskową 10. Składowa tej siły nacisku przeniesiona na oś wału 3 stanowi o momencie obrotowym silnika. Obrót wirnika 2 kończy cykl pracy w momencie, gdy krawędź otworu tulei cylindrowej 4 otworzy szczelinę kanału wylotowego 24 w nieruchomej płycie rozrządu 27. Cykl wylotu gazów spalinowych trwa około 30, do momentu otwarcia kanału płuczącego 23a, którym dostarczane jest sprężone powietrze ze sprężarki powietrznej 19. Przez następne około 60 obrotu wału 3 następuje cykl płukania cylindra przy współotwartych kanałach wylotowym 24 i płuczącym 23a, a przez kolejne około 13 komora cylindra zostaje odcięta. Kat 13 wyznaczony jest między promieniami obejmującymi otwór tulei cylindrowej 4, promieniami które jednocześnie wyznaczają punkt A zamknięcia kanału wylotowego 24 i kanału płuczącego 23a oraz punkt B otwarcia kanału doładowującego 26 i kanału dolotowego 23b. Rozdzielenie kanału wylotowego 24 i kanału doładowującego 26 zapobiega stracie wylotowej paliwa. Następnym cyklem jest doładowywanie mechaniczne cylindra, trwające przez okres około 37 - podczas których do cylindra jednocześnie doprowadzane jest paliwo przez kanał doładowujący 26 i sprężone powietrze przez kanał dolotowy 23b. Po zamknięciu obu kanałów 23b i 26 przez tylną krawędź otworu tulei cylindrowej 4 rozpoczyna się sprężanie ładunku - spowodowane ruchem tłoka 6, wymuszony przez nacisk na kołnierz zewnętrzny 8 tarczy naciskowej 10. Kończący obieg cykl pracy - zapłon mieszanki, występuje w momencie otwarcia przez krawędź tulei cylindrowej 4 otworu z zabudowaną świecą żarową 25 lub szczeliny kanalika zapłonowego 28. Niewielka ilość gazów spalinowych przepływająca kanalikiem zapłonowym 28 z sąsiedniego cylindra wyprzedzającego powoduje skokowy wzrost ciśnienia, temperatury i samozapłon. Regulacja mocy silnika prowadzona jest przez zmianę kąta α pochylenia tarczy naciskowej 10 i w wyniku tego zmianę objętości skokowej, oraz zmianę ilości paliwa wtryskiwanego do kanału doładowującego 26. Silnik chłodzony jest zewnętrznie powietrzem odbierającym ciepło z żeber obudowy 1 i pokrywy 17, oraz wewnętrznie za pomocą oleju przepływającego kanałami 29 w płycie rozrządu 27 i w wirniku 2. Olej studzony jest w zewnętrznej chłodnicy, nie uwidocznionej na rysunku. Zastrzeżenia patentowe 1. Wielocylindrowy, dwusuwowy silnik spalinowy, posiadający korpus z tulejami cylindrowymi o osiach usytuowanych równolegle i w układzie koncentryczno-rewolwerowym wokół osi wału, którego tłoki współpracują z tarczą naciskową napędzaną od wału i łożyskowaną względem osi pochylonej pod kątem do osi wału, regulowanym przez zespół nastawczy, ponad to wyposażony po drugiej stronie korpusu w płytę rozrządu, szczelnie przylegającą w ruchu obrotowym do czołowych powierzchni

5 PL B1 5 tulei cylindrowych oraz zawierającą koncentryczne względem wału kanały wymiany ładunku, wylotowy, płuczący i dolotowy połączone odpowiednio z zespołami tworzenia mieszanki palnej i wylotu gazów spalinowych, znamienny tym, że jego korpus stanowi sztywno zamocowany na wale (3) wirnik (2), objęty nieruchomą obudową (1), z którą połączona jest płyta rozrządu (27), że każdy tłok (6) na końcu przeciwległym do płyty rozrządu (27) ma wystający z wirnika (2) kołnierz zewnętrzny (8), którym styka się bezpośrednio z powierzchnią tarczy naciskowej (10) poosiowo obciążony sprężyną (9), ponad to że tarcza naciskowa (10) połączona jest z wałem (3) przez wahliwy przegub (11), poosiowo przesuwny, a z drugiej strony opiera się poprzez łożysko wzdłużne (12) o płytę oporową (13) zespołu nastawczego, przy czym płyta oporowa (13) zamocowana jest wahliwie na osi (14) łożyskowanej w obudowie (1) prostopadle do i w odległości (e) od osi wału (3) nie mniejszej od wymiaru promienia (R), najdalej odległego od osi wału (3) punktu krawędzi kołnierza zewnętrznego (8) tłoka (6) a na drugim końcu połączona jest z mechanizmem wychylającym (15, 16). 2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że kanały wymiany ładunku (23a, 23b. 24, 26) wykonane są w płycie rozrządu (27) na tej połowie, która w widoku poosiowym jest dalszą od osi (14) płyty oporowej (13) oraz w strefie pierścieniowej wyznaczonej obrotem powierzchni otworów tulei cylindrowych (4) na dwóch promieniach zewnętrznym i wewnętrznym tak, że na jednym z nich kolejno występują kanał wylotowy (24) i kanał doładowujący (26) z zabudowanym wtryskiwaczem paliwa (18) a na drugim kanał płuczący (23a) i kanał dolotowy (23b), przy czym między wspólnym dla kanału wylotowego (24) i kanału płuczącego (23a) punktem zamknięcia (A) i wspólnym dla kanału doładowującego (26) i kanału dolotowego (23b) punktem otwarcia (B) znajduje się strefa odcięcia, której kąt środkowy (β) jest nie mniejszy od kąta odpowiadającego średnicy otworu tulei cylindrowej (4). 3. Silnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w płytę rozrządu (27) wbudowaną ma świecę żarową (25), usytuowaną w strefie, która w widoku poosiowym jest najbliższa osi (14) wychylania płyty oporowej (13). 4. Silnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w płycie rozrządu (27) ma kanalik zapłonowy (28), usytuowany w strefie, która w widoku poosiowym poprzedza oś prostopadłą do osi (14) wychylania płyty oporowej (13), a którego długość wyznaczona kątem środkowym (γ) jest nieco większa od kąta między krawędziami otworów tulei cylindrowych (4). 5. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że tuleje cylindrowe (4) osadzone są w wirniku (2) suwliwie a sprężyny (9) oddziaływujące na kołnierze zewnętrzne (8) tłoków (6) opierają się o czoła tulei cylindrowych (4). 6. Silnik według zastrz. 1 albo 5, znamienny tym, że tuleje cylindrowe (4) po stronie czoła stykającego się z płytą rozrządu (27) mają kołnierze wewnętrzne (5). 7. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że kołnierze zewnętrzne (8) tłoków (6) mają wywinięcia zwrotne tworzące gniazda dla sprężyn (9) a powierzchnie zewnętrzne wywinięć zwrotnych prowadzone są suwliwie w wirniku (2). 8. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada sprężarkę powietrza (19) połączoną kolektorem dolotowym (21) z kanałem płuczącym (23a) i kanałem dolotowym (23b) w płycie rozrządu (27).

6 6 PL B1 Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)