PL B1. IZOLING-AKAM SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Tarnowskie Góry, PL BUP 06/04

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. F02B 75/28 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Silnik dwutłokowy (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 06/04 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 07/10 (73) Uprawniony z patentu: IZOLING-AKAM SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Tarnowskie Góry, PL (72) Twórca(y) wynalazku: PIOTR MĘŻYK, Tarnowskie Góry, PL ADAM CIESIOŁKIEWICZ, Gliwice, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Krystyna Szczepańska PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest silnik dwutłokowy spalinowy, to jest silnik cieplny o spalaniu wewnętrznym, w którym ruch tłoków wywołany jest ciśnieniem spalin powstających ze spalania mieszanki palnej (na przykład mieszanki paliwowo-powietrznej) wewnątrz cylindrów silnika. Pary cylindrów mają wspólną komorę spalania i w każdym cylindrze poruszają się przeciwbieżnie dwa tłoki. Wynalazek pozwolą na konstruowanie nowoczesnych silników o wysokich osiągach i niskim zużyciu paliwa. Znane jest zgłaszającemu rozwiązanie silnika dwutłokowego spalinowego opisanego w polskim opisie patentowym nr pod tytułem Silnik spalinowy. Silnik spalinowy według tego rozwiązania to konstrukcja łącząca cechy silnika czterosuwowego z cechami silnika dwusuwowego. Silnik ten ma w połączonych przestrzeniach cylindrów umieszczone odpowiednio co najmniej dwa tłoki, przy czym jeden tłok pracuje w cyklu czterosuwowym, a drugi tłok pracuje w cyklu dwusuwowym. Silnik ten posiada jeden wspólny dla części czterosuwowej i dwusuwowej układ dostarczania paliwa, w miejscu którego umieszczony jest wlot dodatkowego powietrza. Korzystne jest, by cylindry silnika były współosiowe. Natomiast denka tłoków wyprofilowane są od strony świec zapłonowych tak, że tworzona jest w tym miejscu większa wolna przestrzeń niż przy pozostałych częściach denek tych cylindrów. Silnik spalinowy według tego rozwiązania będzie uzyskiwał dużo wyższe obroty i cechował się będzie przy tym wysoką mocą i sprawnością. Dzięki sposobności regulacji stopnia kompresji podczas sprężania można będzie stosować różne paliwa do tego samego silnika. Znane jest także zgłaszającemu rozwiązanie dwutłokowego silnika spalinowego opisanego w polskim opisie patentowym nr pod tytułem Dwutłokowy silnik spalinowy. Silnik spalinowy według tego rozwiązania to także konstrukcja łącząca cechy silnika czterosuwowego z cechami silnika dwusuwowego. Dwusuwowa i czterosuwowa część silnika posiada wspólny układ zapłonu i wspólny układ dostarczania paliwa. Pomiędzy cylindrem części dwusuwowej a cylindrem części czterosuwowej umieszczony jest pierścień łączący, w którym usytuowane są wtryskiwacze paliwa, świece zapłonowe i balony wyrównawcze. Przewidziano osadzenie w odpowiednich otworach wtryskiwaczy mieszanki wodno-alkoholowej. Skok tłoka części czterosuwowej jest nie większy niż 0,5-0,6 skoku tłoka części dwusuwowej. Wał korbowy części dwusuwowej i wał korbowy części czterosuwowej połączone są ze sobą za pomocą przekładni mechanicznej tak, że kąt przesunięcia fazowego wału korbowego części czterosuwowej ma wartość od 40 do 50 kąta obrotu wału korbowego części dwusuwowej. Szczeliny wylotowe i okna dolotowe umieszczone są w części dwusuwowej silnika tak, że otwieranie i zamykanie szczelin wylotowych odbywa się przez tłok części dwusuwowej, przy czym szczeliny wylotowe o małej wysokości, o kształcie okrągłym i/lub prostokątnym umieszczone są na więcej niż połowie obwodu cylindra części dwusuwowej w końcowej części skoku tego tłoka, zaś długość płaszcza tłoka części dwusuwowej jest taka, że przysłania szczeliny wylotowe w położeniu zwrotnym tego tłoka. Okno dolotowe usytuowane jest nieco powyżej szczelin wylotowych po przeciwnej stronie tych szczelin. Otwieranie okna dolotowego odbywa się przez zawór obrotowy (rotacyjny) i występuje przesunięcie tego otwarcia w stosunku do położenia tłoka części dwusuwowej. Zamknięcie okna dolotowego odbywa się przez tłok części dwusuwowej. Zawór napędzany jest przekładnią mechaniczną z paskiem zębatym. Koncepcja dwutłokowego bezzaworowego silnika spalinowego oparta jest na skojarzeniu i wykorzystaniu zalet silników dwu- i czterosuwowego. Silnik dwusuwowy charakteryzuje się prostą konstrukcją, łatwym systemem wymiany ładunku (napełnianie świeżą mieszanką paliwowopowietrzną, wylot spalin) i większym wskaźnikiem mocy z jednostki objętości, posiada jednak gorszy - w stosunku do silnika czterosuwowego - stopień wymiany ładunku pomiędzy kolejnymi cyklami pracy i niekorzystne wskaźniki ekologiczne. Silnik czterosuwowy posiada lepszy skład spalin, ale minusem tego silnika jest rozbudowany system zaworów i ich napęd, a więc spore straty mechaniczne oraz fakt, że na jeden cykl pracy przypadają dwa obroty wału korbowego, co w istotny sposób zmniejsza wskaźnik jednostkowej mocy. Z amerykańskiego opisu patentowego nr znany jest silnik spalinowy wewnętrznego spalania posiadający pary przeciwbieżnych tłoków w każdym cylindrze pracujących z tą samą prędkością, układ zaworów rotacyjnych umieszczonych centralnie z trzema otworami (porami), z których każdy spełnia inną funkcję. Na denkach przeciwbieżnych tłoków, wokół tych denek rozmieszczone są liczne elektrody dla odbioru prądu elektrycznego wytwarzanego w generatorze magnetohydrodynamicznym i wytwarzania wiązek elektronów poprzez cylindry silnika dla wytworzenia pola magnetycz-

3 PL B1 3 nego wokół wewnętrznych ścian cylindrów, w celu izolowania gazów spalinowych od wewnętrznych ścian cylindrów silnika. Silnik ten jest silnikiem sześciosuwowym, w którym zapłon mieszanki oparty jest na jonizacji. Na pełny obieg pracy tego silnika składa się sześć suwów cykli pracy: dolot świeżego ładunku (napełnianie), pierwsza kompresja, pierwsza ekspansja z napływem dodatkowego ładunku, gdzie spaliny są recyrkulowane, zjonizowane do generatora MHD oraz doładowane jest świeże powietrze, druga kompresja będąca głównym suwem sprężania zjonizowanego powietrza i zapłonu mieszanki opartego na jonizacji, druga ekspansja oraz wylot spalin do generatora MHD z tym, że część spalin wraca do sąsiedniego cylindra (recyrkulacja). W tłokach silnika są umieszczone elektromagnesy, które są zasilane dodatnią stroną do komory spalania, odpychając dodatnio naładowane gazy od powierzchni czołowych denka tłoka wytwarzając siłę. Zapalenie mieszanki następuje poprzez emiter elektronów. Celem tego silnika jest obniżenie toksyczności spalin. Z polskiego opisu zgłoszenia patentowego numer P znany jest układ, w którym łańcuch napędowy naciągany jest za pomocą przesuwnej rolki napinającej połączonej z rolką stabilizującą jednak regulacja w nim jest skokowa typowa dla rowerów. Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji silnika spalinowego dwutłokowego, który będzie się charakteryzował optymalnym obiegiem termodynamicznym ze względu na uzyskanie efektu przedłużonej ekspansji czynnika przy zmiennym stopniu kompresji podczas sprężania. Sprawność nowego silnika ma być wysoka zwłaszcza w zakresie obciążeń częściowych, a wskaźnik mocy jednostkowej zdecydowanie ma przewyższać wartości występujące dla dotychczasowych rozwiązań silników tłokowych. Silnik dwutłokowy, w którym jeden tłok pracuje w cyklu czterosuwowym, a drugi tłok pracuje w cyklu dwusuwowym, gdzie dwusuwowa i czterosuwowa część silnika posiada wspólny układ zapłonu i wspólny układ dostarczania paliwa, posiada zawór rotacyjny zaopatrujący przez otwór i okno dolotowe przestrzeń roboczą cylindra napędzany przekładnią mechaniczną z paskiem zębatym lub łańcuchem napędowym, w denku tłoka umieszczoną elektrodę, zaś obydwa tłoki poprzez osobne korbowody połączone są z oddzielnymi wałami korbowymi o zsynchronizowanych obrotach według wynalazku charakteryzuje się tym, że posiada zawór rotacyjny wprowadzający poprzez okno dolotowe powietrze lub mieszankę paliwa z powietrzem do dwusuwowej części silnika, zawierający otwór przelotowy umożliwiający przepłukanie cylindra i właściwe napełnianie przy prawie stałej objętości przestrzeni roboczej cylindra. Co najmniej jeden z jego tłoków posiada w denku świecę połączoną przewodem z elektrodą kontaktową usytuowaną na płaszczu tłoka. Zawór rotacyjny posiada napędzający go pasek zębaty naciągany za pomocą przesuwnych rolek napinających połączonych z rolkami stabilizującymi. W silniku według wynalazku zminimalizowano moc napędu zaworu, zawór rotacyjny nie wymaga smarowania. Wymiana ładunku w przestrzeni roboczej odbywa się korzystniej niż w silniku dwusuwowym, ponieważ występuje rozdzielenie przepłukania cylindra i właściwego napełniania przestrzeni roboczej świeżym czynnikiem. Zalety zmienionego sposobu wymiany ładunku to wzrost współczynnika napełniania cylindra, dobre przepłukanie cylindra umożliwiające uzyskanie składu spalin zbliżonego lub lepszego niż w klasycznym silniku czterosuwowym, możliwość wpływania na wymianę ładunku przez sterowanie początkiem świeżego ładunku. Silnik dwutłokowy według wynalazku charakteryzuje się optymalnym obiegiem termodynamicznym z uwagi na zyskanie efektu przedłużonej ekspansji czynnika przy zmiennym stopniu kompresji podczas sprężania. Usytuowanie świecy w części czołowej tłoka umożliwia kontrolowanie wielkości iskry pomiędzy elektrodami świecy za pomocą sterowania procesowego. Iskra dostosowywana jest do parametrów mieszanki paliwowej. Korzystne dla dynamiki spalania jest centralne usytuowanie świecy. Zmiana faz ma charakter pracy płynnej. Zmianę faz dokonuje się za pomocą rolek napinająco- -stabilizujących, gdzie napinając jedną stronę paska zębatego skraca się jego drugą stronę, co powoduje zmianę wzajemnych kątów wałów korbowych a w konsekwencji zmianę faz. Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zawór rotacyjny usytuowany w części dwusuwowej silnika, fig. 2 przedstawia przekrój osiowy tulei cylindrowej silnika z zaznaczonym położeniem i kierunkiem obrotu zaworu rotacyjnego, fig. 3 pokazuje rozwinięcie cylindra roboczego silnika z zaznaczeniem otworów dolotowych i wylotowych, fig. 4 pokazuje tłok części czterosuwowej i tłok części dwusuwowej w cylindrze z zaznaczeniem położenia punktów zwrotnych, fig. 5 do fig. 9 przedstawiają kolejne położenia zaworu rotacyjnego względem okna dolotowego w tulei cylindrowej w zależności od położenia tłoka w części dwusuwowej

4 4 PL B1 silnika, fig. 10 i fig. 11 przedstawiają tłok silnika z korbowodem, ze świecą w tłoku z zaznaczeniem odpowiednich przewodów i elektrod kontaktowych, fig. 12 i fig. 13 pokazują usytuowanie świecy i przewodów w tłoku, natomiast fig. 14 przedstawia mechanizm przestawiania położeń zaworu rotacyjnego podczas pracy silnika poprzez zmianę naciągu paska napędzającego. Silnik dwutłokowy zgodnie z fig. 1, fig. 2, fig. 3 posiada zawór rotacyjny 2 składający się z obrotowej tulei umieszczonej w obudowie 3. Obrotowa tuleja zaworu rotacyjnego 2 prowadzona jest w łożyskach ślizgowych samosmarujących 4. W tulei zaworu rotacyjnego 2 umieszczony jest otwór przelotowy 8 w kształcie prostokąta lub prostokąta łukowego. W tulei cylindrowej 5 silnika jest okno dolotowe 6. Dodatkowo w tulei tej są zaznaczone pierścienie uszczelniające 11. Jedno okno dolotowe 6 dla jednego cylindra umieszczone jest w tulei cylindrowej 5 części dwusuwowej silnika. Posiada kształt eliptyczny ułatwiający nachodzenie i schodzenie pierścieni tłokowych 7 tłoka części dwusuwowej 9, a jego krawędzie usytuowane są pod kątem 45 umożliwiającym korzystne przepłukanie i napełnianie przestrzeni roboczej. Jak uwidoczniono na fig , tłok części dwusuwowej 9 posiada w denku świecę 12 połączoną przewodem 13 z elektrodą kontaktowa 16 usytuowaną w płaszczu tłoka 9. Elektroda kontaktowa 16 w trakcie pracy silnika okresowo łączy się z elektrodą kontaktowa 14 usytuowaną w cylindrze silnika. Do elektrody kontaktowej 14 doprowadza się wysokie napięcie przewodem 15. Na rysunku fig. 10 zaznaczony jest ruch tłoka z wału korbowego poprzez korbowód 17. Wielkość iskry świecy 12 sterowania jest odpowiednim procesorem. Do napędu zaworu rotacyjnego 2 wykorzystana jest przekładnia mechaniczna składająca się z napędowego koła zębatego 1, koła napędzającego 21, paska zębatego 18, rolek stabilizujących 22 i przesuwnych rolek napinających 23 oraz dźwigni zmiany przestawienia 19, siłownika 20. Otwieranie okna dolotowego 6 i przepływ czynnika (powietrze mieszanka paliwowo-powietrzna) pod pewnym nadciśnieniem (0,2-0,5 bar) odbywa się poprzez zawór rotacyjny 2. Rysunek fig. 5 obrazuje martwe położenie tłoka części dwusuwowej 9 oraz tłoka części czterosuwowej 24 w cylindrze, w tym stadium okna wylotowe 10 są w pełni odkryte, natomiast zawór rotacyjny 2 zbliża się do położenia, kiedy nastąpi początek dolotu (przelotu) świeżego czynnika. Kolejne położenia zaworu rotacyjnego 2 względem okna dolotowego 6 w tulei cylindrowej 5 w zależności od położenia tłoka części dwusuwowej 9 pokazano na rysunku fig. 6 do fig. 9. Po przesłonięciu okien (szczelin) wylotowych 10 przez tłok 9 części dwusuwowej następuje właściwe napełnianie przestrzeni roboczej cylindra. Otwarcie otworu przelotowego 8 zbliżone jest wówczas do maksymalnego. Przymknięcie okna dokonywane jest przez tłok części dwusuwowej 9, natomiast otwór przelotowy 8 w zaworze rotacyjnym 2 jest jeszcze uchylony. Pełne przymknięcie otworu przelotowego 8 w zaworze rotacyjnym 2 następuje nieco później. Konstrukcja i działanie zaworu rotacyjnego 2 umożliwia sterownie początkiem i końcem przepływu świeżego ładunku do cylindra silnika. Zgodnie z fig. 14, połączenie dwóch wałów korbowych jest za pomocą paska zębatego, który stabilizuje obroty. Zmianę faz dokonuje się za pomocą przesuwnych rolek napinających 23 połączonych z rolkami stabilizującymi 22. Napinając jedną stronę paska zębatego skraca się jego drugą stronę, co powoduje zmianę wzajemnych kątów wałów korbowych, a w konsekwencji zmianę faz. Zmiana faz ma charakter pracy płynnej. Zastrzeżenia patentowe 1. Silnik dwutłokowy, w którym jeden tłok pracuje w cyklu czterosuwowym, a drugi tłok pracuje w cyklu dwusuwowym, gdzie dwusuwowa i czterosuwowa część silnika posiada wspólny układ zapłonu i wspólny układ dostarczania paliwa, posiada zawór rotacyjny zaopatrujący przez otwór i okno dolotowe przestrzeń roboczą cylindra napędzany przekładnią mechaniczną z paskiem zębatym lub łańcuchem napędowym, w denku tłoka umieszczoną elektrodę, zaś obydwa tłoki poprzez osobne korbowody połączone są z oddzielnymi wałami korbowymi o zsynchronizowanych obrotach, znamienny tym, że posiada zawór rotacyjny (2) wprowadzający poprzez okno dolotowe (6) powietrze lub mieszankę paliwa z powietrzem do dwusuwowej części silnika, zawierający otwór przelotowy (8) umożliwiający przepłukanie cylindra (5) i właściwe napełnianie przy prawie stałej objętości przestrzeni roboczej cylindra (5). 2. Silnik dwutłokowy według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jeden z jego tłoków (9) posiada w denku świecę (12) połączoną przewodem (13) z elektrodą kontaktowa (16) sytuowaną na płaszczu tłoka (9).

5 PL B Silnik dwutłokowy według zastrz. 1, znamienny tym, że zawór rotacyjny (2) posiada napędzający go pasek zębaty (18) naciągany za pomocą przesuwnych rolek napinających (23) połączonych z rolkami stabilizującymi (22). Rysunki

6 6 PL B1

7 PL B1 7

8 8 PL B1

9 PL B1 9

10 10 PL B1

11 PL B1 11

12 12 PL B1

13 PL B1 13

14 14 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 4,00 zł.