(5 4) Sposób pracy silnika spalinowego typu silnika tłokowego oraz silnik spalinowy

RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (21) N um er zgłoszenia: 296088 (22) D ata zgłoszenia: 15.03.1991 (8 6) D ata i numer zgłoszenia m iędzynarodow ego: 15.03.1991, PCT/DK91/00079 (87) D ata i num er publikacji zgłoszenia m iędzynarodow ego: 19.09.1991, WO91/14086, PCT Gazette nr 22/91 (11) 170039 (13) B1 (51) IntCl6: F02B 69/00 (5 4) Sposób pracy silnika spalinowego typu silnika tłokowego oraz silnik spalinowy typu silnika tłokowego (30) Pierwszeństwo: 16.03.1990,DK.0693/90 (73) Uprawniony z patentu: ALEX JENSEN A/S SKIBBY, Skibby, DK (43) Zgłoszenie ogłoszono: 28.12.1992 BUP 26/92 (72) Twórcy wynalazku: Holger S. Andersen, Skibby, DK Jens E. Wellev, Virum, DK Flemming Voergaard, Helsingor, DK (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.10.1996 WUP 10/96 (74) Pełnomocnik: Szafruga Anna, PHZ POLSERVICE PL 170039 B1 (57) 1. Sposób pracy silnika spalinow ego typu silnika tłokowego, pracującego na m ieszance skroplonego gazu ziem n eg o (L P G ) w p o staci auto-gazu zmieszanego z pow ietrzem, gdzie (LPG) zasadniczo zawiera propan i butan lub skroplony gaz ziemny (LNG) bądź gaz m iejski 1 pow ietrze, zaś zapłon ładunku mieszanki w kom orze spalania wywołuje się za pomocą urządzenia w ytw arzającego iskrę, przy czym stopień sprężania statycznego przekracza około 15:1, zwłaszcza w zakresie od około 15:1 do 2 0 :1, znam ienny tym, ze m ieszankę zapala się urządzeniem wytwar z a ją c y m is k r ę p o p r z e k r o c z e n iu z w ro tu zewnętrznego w przedziale od około 0 zwrotu zew - nętrznego do około 2 0 zw rotu zewnętrznego, korzystnie około 4 zwrotu zew nętrznego. Fig. 4

Sposób pracy silnika spalinowego typu silnika tłokowego oraz silnik spalinowy typu silnika tłokowego Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób pracy silnika spalinowego typu silnika tłokowego, pracującego na mieszance skroplonego gazu ziemnego (LPG) w postaci auto-gazu zmieszanego z powietrzem, gdzie (LPG) zasadniczo zawiera propan i butan lub skroplony gaz ziemny (LNG) bądź gaz miejski i powietrze, zaś zapłon ładunku mieszanki w komorze spalania wywołuje się za pomocą urządzenia wytwarzającego iskrę, przy czym stopień sprężania statycznego przekracza około 15:1, zwłaszcza w zakresie od około 15:1 do 20:1, znamienny tym, że mieszankę zapala się urządzeniem wytwarzającym iskrę po przekroczeniu zwrotu zewnętrznego w przedziale od około 0 zwrotu zewnętrznego do około 20 zwrotu zewnętrznego, korzystnie około 4 zwrotu zewnętrznego. 2. Silnik spalinowy typu silnika tłokowego, pracujący na mieszance skroplonego gazu ziemnego (LPG) w postaci auto-gazu zmieszanego z powietrzem posiadający układ zapłonowy, układ parowania, gaźnik zawierający zwężkę Venturiego oraz układ wydechowy, przy czym układ zapłonowy zawiera cewkę zapłonową, rozdzielacz, przewody wysokiego napięcia i świece zapłonowe, które umieszczone są w otworach głowicy cylindra, znamienny tym, że stosunek średnicy (D7) odcinka przejściowego (77) między zwężką Venturiego (71) i rurą dolotową (11) do odległości między zwężką Venturiego (71) i rurą dolotową (11) wynosi między 1 do 15 oraz 1 do 5, korzystnie 1 do około 10. 3. Silnik według zastrz. 2, znamienny tym, że zwężka Venturiego (71) jest umieszczona osiowo i symetrycznie patrząc w kierunku przepływu (13) i zawiera komorę mieszania (73) o średnicy (D1), wlotową stronę pierścienia (75) tworzącego szczelinę o średnicy (D3), wylotową stronę pierścienia (75) tworzącego szczelinę o średnicy (D5) oraz odcinek przejściowy (77) o średnicy (D7) do rury dolotowej (11). 4. Silnik według zastrz. 3, znamienny tym, że pierścień (75) tworzący szczelinę oraz odcinek przejściowy (77) połączony z rurą dolotową (11) tworzą łącznie urządzenie dyszowe (79) doprowadzające paliwo. 5. Silnik według zastrz. 4, znamienny tym, że urządzenie dyszowe (79) umieszczone jest w pobliżu obrzeża odcinka przejściowego (77). * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób pracy silnika spalinowego typu silnika tłokowego oraz silnik spalinowy typu silnika tłokowego. Znane jest stosowanie silników diesla, silników benzynowych i silników gazowych do napędzania pojazdów, statków i innych układów mocy. Wszystkie silniki są silnikami typu Otto i działają na bazie mieszanki powietrza i paliwa, zapalanej w komorze spalania w wyniku czego spalanie powoduje wzrost ciśnienia. Wzrost ciśnienia nie następuje natychmiast po zapłonie, lecz następuje stopniowo w pewnym okresie czasu. Mechanizm zapłonowy silnika diesla jest zapłonem samoczynnym, ewentualnie połączonym z przewodem rurowym podgrzewacza podczas procesu ogrzewania, gdzie palna mieszanka jest zapalana w wyniku wzrostu ciśnienia w komorze spalania. Pozostałe dwa typy silników, to jest silnik benzynowy i silnik gazowy, zapalane są przy pomocy iskry z układu zapłonowego. Ostatnie dwa typy silników nie wykorzystują zazwyczaj zapłonu samoczynnego, lecz jeśli mimo to zapłon samoczynny nastąpi, na przykład w silniku benzynowym, towarzyszy mu niekorzystny efekt, konkretnie spalanie stukowe lub detonacyjne. Silniki gazowe do napędzania pojazdów są zazwyczaj skonstruowane na bazie silników benzynowych, które skonstruowane są zazwyczaj bezpośrednio na gaz lub mogą być nań przerobione. Znaczna różnica między silnikami diesla i silnikami benzynowymi leży w

170 039 3 stopniu sprężania. Stopień sprężania silników diesla często przekracza 12:1, zaś stopień sprężania silników benzynowych rzadko przewyższa 10:1. Punkt zapłonu w silniku benzynowym znajduje się zazwyczaj w zakresie od około 12 do około 3 przed zwrotem zewnętrznym co powoduje, że ciśnienie maksymalne jest osiągane w komorze spalania dopiero za zwrotem zewnętrznym. Celem wynalazku jest sposób pracy silnika spalinowego typu tłokowego. Celem wynalazku jest silnik spalinowy typu silnika tłokowego. Sposób pracy silnika spalinowego typu silnika tłokowego, pracującego na mieszance skroplonego gazu ziemnego (LPG) w postaci autogazu zmieszanego z powietrzem, gdzie (LPG) zasadniczo zawiera propan i butan lub skroplony gaz ziemny (LNG) bądź gaz miejski i powietrze, zaś zapłon ładunku mieszanki w komorze spalania wywołuje się za pomocą urządzenia wytwarzającego iskrę, przy czym stopień sprężania statycznego przekracza około 15:1, zwłaszcza w zakresie od 20 około 15:1 do 20:1, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że mieszankę zapala się urządzeniem wytwarzającym iskrę po przekroczeniu zwrotu zewnętrznego w przedziale od około 0 zwrotu zewnętrznego do około 20 zwrotu zewnętrznego, korzystnie około 4 zwrotu zewnętrznego. Silnik spalinowy typu silnika tłokowego, pracujący na mieszance skroplonego gazu ziemnego (LPG) w postaci autogazu zmieszanego z powietrzem posiadający układ zapłonowy, układ parowania, gaźnik zawierający zwężkę Venturiego oraz układ wydechowy, przy czym układ zapłonowy zawiera cewkę zapłonową, rozdzielacz, przewody wysokiego napięcia i świece zapłonowe, które umieszczone są w otworach głowicy cylindra, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że stosunek średnicy odcinka przejściowego między zwężką Venturiego i rurą dolotową do odległości między zwęzką Venturiego i rurą dolotową wynosi między 1 do 15 oraz 1 do 5, korzystnie 1 do około 10. Korzystnie zwężka Venturiego jest umieszczona osiowo i symetrycznie patrząc w kierunku przepływu i zawiera komorę mieszania o średnicy D 1, wlotową stronę pierścienia tworzącego szczelinę o średnicy D3, wylotową stronę pierścienia tworzącego szczelinę o średnicy D5 oraz odcinek przejściowy o średnicy D7 do rury dolotowej. Korzystnie pierścień tworzący szczelinę oraz odcinek przejściowy połączony z rurą dolotową tworzą łącznie urządzenie dyszowe doprowadzające paliwo. Korzystnie urządzenie dyszowe umieszczone jest w pobliżu obrzeza odcinka przejściowego. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia silnik spalinowy według wynalazku, fig. 2 jest schematycznym widokiem pokazującym zasady konwersji, fig. 3 przedstawia przetworzoną głowicę cylindra oraz fig. 4 przedstawia zwężkę Venturiego dla silnika spalinowego według wynalazku. Wynalazek przetestowano na silniku z fig. 1, przy czym silnik ten oznaczono jako 1. Silnik jest typu Fiat 8220.12, który jest silnikiem dieslem używanym zazwyczaj do ciężarówek i tym podobnych pojazdów. Silnik jest sześciocylindrowym, czterosuwowym silnikiem diesla wytwarzającym zazwyczaj 151 kw odpowiadające mocy 205 koni mechanicznych, przy 2600 obrotach na minutę. Silnik ma moment obrotowy równy 638 Nm odpowiadający 65 kgm przy 1600 obrotach na minutę. Średnica otworu wynosi 125 mm, a suw 130 mm, który daje pojemność równą 9570 cm. Stopień sprężania ustalony został dla silnika diesla działającego bez przewodów podgrzewacza, i tu stopień ten wynosi 17:1. Silnik jest zazwyczaj wyposażony w rozmaite urządzenia zewnętrzne, takie jak alternator do ładowania akumulatora, pompę wodną i dmuchawę do układu chłodzenia. Wszystkie urządzenia zewnętrzne mogą być pozostawione w związku z przerobieniem silnika na silnik gazowy. Napęd może również być zachowany, to jest połączenie silnika z kołami i nie jest konieczna zmiana stosunku przekładni, gdyż charakterystyka silnika nie zmienia się w znaczny sposób. Możliwe jest, oczywiście sprawienie, aby silnik wytwarzał więcej mocy przy wyższych obrotach na minutę, lecz jednocześnie zwiększa się jego zużycie oraz skrzynia biegów musi być odpowiednio zmieniona. Istotnym czynnikiem związanym z przerabianiem silnika diesla na silnik na gaz jest to, że wymaga to wymiany niewielu części.

4 170 039 Na figurze 2 pokazano części silnika diesla, które są wymieniane. Rury dolotowa i wylotowa silnika diesla są zachowane, lecz rura dolotowa 11 połączona jest z urządzeniem gaźnika 7 połączonym za pośrednictwem przewodu 53 z układem parowania 5, jak na przykład typu Renzo Natic. Parownik 5 połączony jest ze zbiornikiem gazu zastępującym zbiornik ropy w silniku diesla. Zbiornik gazu jest typu konwencjonalnego i jest odpowiedni dla autogazu lub gazolu. Powietrze wpływa przez filtr powietrza 63 i przechodzi przez zwężkę Venturiego 71 w której to powietrze mieszane jest z gazem. Następnie mieszanka gazu i powietrza przechodzi do rury dolotowej 11 przez odcinek przejściowy 77. Odcinek przejściowy 77 zawiera okrągłą rurę o długości około 50 cm, o wewnętrznej średnicy D7 około 55 mm. Układ zapłonowy 3 silnika 2 zawiera elektroniczny układ zapłonowy jak na przykład typu Lumenition, zawierający zapłonową cewkę 31, rozdzielacz 33 i, w obecnym przykładzie wykonania, sześć świec zapłonowych 37 połączonych z odpowiednimi przewodami 35 wysokiego napięcia. Elektroniczny układ zapłonowy i zapłonowa cewka 31 są typu konwencjonalnego, zapewniającego zwykłe możliwości regulowania. Kopułka rozdzielacza, przewody 35 wysokiego napięcia i świece zapłonowe 37 są również typu konwencjonalnego, lecz element podstawy rozdzielacza 33 został zaprojektowany specjalnie dla wykorzystanego silnika 1. Element podstawy musi być połączony z wałem silnika. Wał jest na przykład wałem korbowym lub wałem rozrządu. Silniki diesla połączone są zazwyczaj z zewnętrznym układem pompującym podającym ropę w dieslu do dysz każdej z komór spalania. Ponieważ po przetworzeniu układ pompujący nie jest potrzebny, rozdzielacz 33 może korzystnie być podłączony w tym miejscu do silnika 1. Dodatkową zaletą tego miejsca jest to, że wał porusza się synchronicznie z wałem korbowym silnika 1, przy czym wał ten uprzednio napędzał układ pompujący, a obecnie napędza rozdzielacz 33. Na figurze 3 pokazano w przekroju głowicę cylindra 9 silnika 1, według wynalazku, przy czym widok ten ukazuje u góry komorę spalania z dwoma zaworami: wlotowym zaworem 93 i wylotowym zaworem 95. Dysza wtryskowa używana w układzie diesla umieszczona jest między zaworami 93, 95. Dysza wtryskowa została zastąpiona konwencjonalną świecą zapłonową 37. Ta wymiana jest możliwa po wykonaniu połączenia gwintowego w otworze 91 w głowicy cylindra 9, i umieszczeniu w niej świecy zapłonowej 37. Zarówno dysza wtryskowa w silniku diesla jak i świeca zapłonowa 37 w silniku gazowym są umieszczone w tym samym miejscu w komorze spalania, to znaczy w miejscu uważanym za środek geometryczny rozchodzenia się fal ciśnienia przy spalaniu. Powyższa łatwa przeróbka trudna jest w przypadku silników, w których paliwo nie jest wtryskiwane bezpośrednio do cylindra, lecz rozpylane na zawór wlotowy bezpośrednio przed dopływem powietrza do cylindra, gdyż świeca zapłonowa 37 musi być umieszczona w komorze spalania. Jednakże dysza wytryskowa jest zazwyczaj umieszczana w komorze spalania silnika diesla. Na figurze 4 pokazano zwężkę Venturiego stosowaną wraz z układem zasysania dla silnika gazowego. Silnik spalinowy 1 używany do przetwarzania, według wynalazku, musi posiadać stopień sprężania statycznego wyższy niż około 15:1, zwłaszcza w zakresie od 15:1 do około 20:1, korzystnie około 17:1. Punkt zapłonu świecy zapłonowej 37 znajduje się za zwrotem zewnętrznym. Punkt zapłonu znajduje się w zakresie od około 0 zwrotu zewnętrznego do około 20 zwrotu zewnętrznego, korzystnie około 4 zwrotu zewnętrznego. Punkt zapłonu zależy, zwłaszcza od składu gazu, lecz w przypadku użycia gazolu punkt zapłonu jest stosunkowo niezmieniony. Paliwo do wykorzystania w silniku spalinowym 1 jest zazwyczaj gazolem w postaci autogazu wymieszanego z powietrzem, gdzie gazol zawiera zasadniczo propan i butan. Powietrze jest zwykle powietrzem atmosferycznym zawierającym około 21% tlenu. Możliwe jest jednak użycie również innych mieszanek gazu, lecz gaz ziemny wymaga bardzo solidnych zbiorników jak również bardzo niskiej temperatury w celu utrzymania stanu płynnego niezbędnego w pojeździe ze względu na zajmowaną przestrzeń. Można opracować również inny typ zbiornika, aby umożliwić stosowanie gazu ziemnego w pojazdach. Można używać również gaz miejski, lecz w porównaniu z gazolem energia odparowania tego gazu jest znacznie mniejsza.

170 039 5 Przeróbka spalinowego silnika 1 obejmuje etapy wyposażenia otworów 91 głowicy cylindra 9 w świece 37, korzystnie typu zapłonowego, zamiennie typu żarowego, z fig. 3, przy czym otwory te były uprzednio wykorzystywane dla dysz paliwowych diesla. Pod względem podstawowej budowy, silnik spalinowy 1 jest silnikiem diesla. Silnik spalinowy 1 wyposażony jest w układ zapłonowy 3, na przykład typu Lumenition, układ parowania 5, na przykład Renzo Natic, oraz gaźnik zawierający zwężkę Venturiego 71. Układ wydechowy uprzednio używany w silniku 1 w układzie diesla może pozostać taki sam. Układ zapłonowy 3 i układ parowania 5 mogą oczywiście być innego typu niż powyższe. Układ zapłonowy 3 nie musi być elektronicznym układem zapłonowym, lecz może być układem elektryczno-mechanicznym. Układ wtryskiwania paliwa silnika diesla, obejmujący pompę, przewody i układ dysz zastępowany jest układem zapłonowym 3 obejmującym cewkę zapłonową 31, rozdzielacz 33, przewody 35 wysokiego napięcia i świece zapłonowe 37. Sterowanie, to znaczy wał napędowy, sterujący układem wtryskiwania paliwa w silniku diesla wykorzystywane jest do sterowania rozdzielaczem 33 układu zapłonowego 3. Zwężka Venturiego 71 dla silnika spalinowego 1, pokazana na fig. 4, jest umieszczona osiowo i symetrycznie patrząc w kierunku przepływu 13 i zawiera komorę mieszania 73 o średnicy D 1, gdzie D 1 odpowiada około 90 mm. W komorze mieszania 73 jest umieszczony pierścień 75 tworzący szczelinę, przy czym wlotowa strona pierścienia 75 ma średnicę D3 wynoszącą około 74 mm, zaś wylotowa strona pierścienia 75 ma średnicę D5 wynoszącą około 45 mm. Za pierścieniem 75 znajduje się odcinek przejściowy 77, który ma średnicę D7 wynoszącą około 55 mm. Pierścieniowa szczelina 79 o szerokości około 5 mm znajduje się między pierścieniem 75 tworzącym szczelinę przy stronie wylotowej a odcinkiem przejściowym 77. Szerokość pierścieniowej szczeliny 79 jest regulowana przez przesunięcie pierścienia 75 tworzącego szczelinę do przodu lub do tyłu względem odcinka przejściowego 77. Przemieszczanie pierścienia 75 tworzącego szczelinę umożliwia, na przykład, wkręcanie pierścienia 75 do komory mieszania 73. Pierścieniowa komora 76 utworzona jest między ścianką komory mieszania 73 i tworzącym szczelinę pierścieniem 75, przy czym wspomaga ona rozprowadzanie gazu zanim gaz wyleci przez urządzenia dyszowe 79. Stosunek średnicy odcinka przejściowego 77 do odległości między zwężką Venturiego 71 i rurą dolotową 11 wynosi 1 do około 15 i 1 do około 5, korzystnie 1 do około 10. Ważne jest, aby odcinek przejściowy 77 był wystarczająco długi w celu uzyskania odpowiedniej mieszanki powietrza i gazu. Jeśli odcinek przejściowy 77 jest za krótki, poszczególne cylindry zasilane są różnymi mieszankami, to jest albo zbyt bogatą albo zbyt ubogą. Pierścień 75 tworzący szczelinę i odcinek przejściowy 77 połączony z rurą dolotową 11 tworzą łącznie urządzenie dyszowe 79 doprowadzające paliwo. Nawet mimo tego, że paliwo podawane jest w pobliżu powierzchni statycznej ma tendencję do pozostawania w warstwie przejściowej, odpowiednia mieszanka może być uzyskana. Urządzenie dyszowe 79 umieszczone jest w pobliżu obrzeża odcinka przejściowego 77, zaś przepustnica 51 umieszczona jest w pobliżu przelotu między zwężką Venturiego 71 i odcinkiem przejściowym 77. Przepustnica 51 uruchamiana jest w wyniku zwykłego uruchomienia akceleratora w celu wyregulowania mocy silnika 1. Wynalazek nie ogranicza się do powyższych przykładów wykonania, lecz może być modyfikowany na wiele sposobów.

170 039

170 039 Fig. 3 Fig. 4

170 039 Fig. 1 Fig. 2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł