RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 229658 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 418362 (51) Int.Cl. F02B 41/00 (2006.01) F02B 75/32 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 16.08.2016 (54) Silnik spalinowy (43) Zgłoszenie ogłoszono: 26.02.2018 BUP 05/18 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.08.2018 WUP 08/18 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA POZNAŃSKA, Poznań, PL (72) Twórca(y) wynalazku: WOJCIECH SAWCZUK, Bogucin, PL MAŁGORZATA ORCZYK, Poznań, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Marcin Walkowiak PL 229658 B1
2 PL 229 658 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest silnik spalinowy do pojazdów mechanicznych i maszyn w którym zastosowane rozwiązania mają na celu poprawę wykorzystania osiągów silnika bez zwiększenia zużycia paliwa. W silnikach spalinowych pojazdów mechanicznych spotyka się szereg różnych rozwiązań układów (mechanizmów) korbowych. Modernizacje tego układu mają na celu zmniejszenie wymiarów silnika lub redukcję siły normalnej N, która jest jedną ze składowych sił gazowych mających wpływ na zwiększenie docisku tłoka do gładzi cylindrowej. Problem ten szczególnie jest zauważalny w silnikach o dużych pojemnościach (powyżej 150 litrów), takich jak silniki okrętowe i kolejowe. Jest to związane oprócz dużych wartości sił gazowych (doładowane silniki kolejowe) również ze względu na dużą wagę tłoka, wynoszącą nawet 20 kg. Podczas napraw rewizyjnych oraz głównych lokomotyw spalinowych stwierdzano owalizację otworów korpusu pod tuleje cylindrowe. Widoczne skutki działania tej siły są także w silnikach o wysokim parametrze lambda (zależność długości korby do długości korbowodu) wynoszącym 0,3 0,35. Wraz ze zmniejszeniem długości korbowodu przy niezmiennej długości korby podczas pracy silnika spalinowego szczególnie podczas suwu pracy następuje zwiększenie docisku tłoka do tulei cylindrowej co było już opisywane w wielu książkach. Z drugiej strony podczas projektowania silników spalinowych dąży się do zwiększania osiągów silnika oraz wytrzymałości całej konstrukcji. Innym kryterium przy projektowaniu jest zmniejszanie wymiarów silnika. Nie można zaprojektować silnika, który będzie spełniał te wszystkie kryteria. Chcąc zwiększyć osiągi silnika zwiększano jego pojemność skokową oraz liczbę cylindrów, najczęściej były to silniki w układzie cylindrów V. Na fig. 1 rysunku przedstawiono porównanie silnika ośmiocylindrowego w układzie rzędowym oraz widlastym, gdzie fig. 1a to silnik rzędowy BUICK produkowany do 1953 r., a fig. 1b silnik widlasty produkowany od 1963 r. Konstrukcje z nieklasycznymi układami korbowo-tłokowymi silników spalinowych, ze względu na złożoność dodatkowych mechanizmów zwiększają koszt wykonania silnika oraz prawdopodobieństwo uszkodzenia. Problematyka ta została opisana między innymi w artykułach Luft S., Podstawy budowy silników. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności. Warszawa 2011; czy Wajand A.J., Tłokowe silniki spalinowe średnio i szybkoobrotowe. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne. Warszawa 1997. W stanie techniki takie rozwiązania są znane chociażby z opisu PL 160175, czy zgłoszeń P.28772, P.289248 lub P.290372. Rozwiązanie według wynalazku jako założenie podstawowe przyjęło zwiększenie wartości momentu obrotowego generowanego przez silnik w czasie suwu pracy silnika oraz zwiększenie wartości momentu obrotowego podczas suwu wydechu względem silnika z klasycznym układem korbowotłokowym. Cel ten osiągnięto proponując silnik spalinowy z mechanizmem korbowym, w którym oś sworznia tłokowego oprócz ruchu pionowego wynikającego ze skoku tłoka również przemieszcza się wzdłużnie (przód-tył) z zależności od kąta obrotu wału korbowego. Oś sworznia tłokowego w pewnym uproszczeniu przemieszcza się po drodze przypominającej ósemkę. Silnik w proponowanym rozwiązaniu różni się od klasycznego silnika tym, że posiada dodatkowo mechanizm (przekładnię) napędzającą czop ze sworzniem tłokowym. Istotą wynalazku jest silnik spalinowy zawierający mechanizm korbowo-tłokowy w którym w tłoku znajduje się sworzeń mimoosiowy. Do sworznia mimoosiowego niewspółosiowo zamocowana jest głowa korbowodu. Sworzeń mimoosiowy napędzany jest kołami zębatymi w korbowodzie. Obrót sworznia mimoosiowego możliwy jest przez obrót wału korbowego z zamocowanym czopem korbowym, na którym w części środkowej znajduje się koło zębate. Wyjątkowo korzystnie czop korbowy posiada w części środkowej koło zębate, a korbowód w środkowej części posiada zamocowane na sworzniach dwa koła zębate o tej samej średnicy co koło czopa korbowego, przy czym głowa korbowodu współpracuje ze sworzniem mimoosiowym, który w części środkowej posiada koło zębate o średnicy i ilości zębów dwukrotnie mniejszej niż koła korbowodu. Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty technicznoekonomiczne: zwiększenie osiągów silnika rozumianego przyrostem momentu obrotowego w całym zakresie kątów obrotu wału korbowego, przyrost mocy silnika bez wzrostu zużycia paliwa.
PL 229 658 B1 3 Wynalazek został uwidoczniony w przykładowym wykonaniu na rysunku na, którym fig. 2 przedstawia schemat pracy silnika spalinowego z obrotową osią sworznia tłokowego dla różnych kątów obrotu wału korbowego gdzie a) = 10, b) = 90, c) = 170 ; fig. 3 przedstawia schemat poszczególnych części silnika spalinowego; fig. 4 przedstawia przykładowe złożenie mechanizmu korbowotłokowego z obrotowym sworzniem tłokowym. W przykładzie realizacji silnika spalinowego z mechanizmem korbowym w tłoku (7) znajduje się sworzeń mimoosiowy (6), który połączony jest korbowodem (3), natomiast korbowód (3) w dolnej części połączony jest z czopem korbowym (2) wału korbowego (1). Działanie silnika z mechanizmem korbowo-tłokowym wyróżnia się od klasycznego silnika dodatkową przekładnią obracającą sworzeń tłokowy w kierunku przeciwnym do obrotu wału korbowego oraz z prędkością dwukrotnie większą od prędkości wału korbowego. Do wału korbowego (1) zamocowany jest czop korbowy (2) z wykonanym w części środkowej kołem zębatym (12). Z czopem korbowym współpracuje korbowód (3), który w środkowej części zamocowane ma dwa koła zębate (4) o tej samej średnicy jak koło zębate w czopie korbowym. Obrót kół zębatych (4) możliwy jest dzięki sworzniom (5). Głowa korbowodu współpracuje ze sworzniem mimoosiowym (6), który również w części środkowej wykonane ma koło zębate o dwukrotnie mniejszej średnicy jak koła (4). Sworzeń (6) obraca się w tłoku (7) względem czopów zewnętrznych (8) sworznia natomiast część środkowa wykonuje ruch wokół osi głównej (9). Takie rozwiązanie sworznia i sposób jego napędu powoduje, że główka korbowodu (10) nie wykonuje tylko ruchu pionowego względem osi (11) ale również obraca się wokół osi (9). Proponowany silnik spalinowy może być stosowany we wszystkich pojazdach, lądowych, morskich oraz lotniczych jak i również jako silnik agregatowy (stacjonarny) napędu maszyn. Zastrzeżenia patentowe 1. Silnik spalinowy zawierający mechanizm korbowo-tłokowy, znamienny tym, że w tłoku (7) znajduje się sworzeń mimoosiowy (6), do którego niewspółosiowo zamocowana jest głowa korbowodu (10), przy czym sworzeń mimoosiowy (6) napędzany jest kołami zębatymi (4) w korbowodzie (3), a obrót sworznia mimoosiowego (6) możliwy jest przez obrót wału korbowego (1) z zamocowanym czopem korbowym (2), na którym w części środkowej znajduje się koło zębate. 2. Silnik według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że czop korbowy (2) posiada w części środkowej koło zębate (12), a korbowód (3) w środkowej części posiada zamocowane na sworzniach (5) dwa koła zębate (4) o tej samej średnicy co koło (12), przy czym głowa korbowodu (10) współpracuje ze sworzniem mimoosiowym (6), który w części środkowej posiada koło zębate o średnicy i ilości zębów dwukrotnie mniejszej niż koła (4).
4 PL 229 658 B1 Rysunki
PL 229 658 B1 5
6 PL 229 658 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)