PL 214686 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 214686 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 383510 (51) Int.Cl. B60K 6/00 (2007.10) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 10.10.2007 (54) Silnik spalinowo-elektryczny dwu-czterosuwowy (43) Zgłoszenie ogłoszono: 14.04.2009 BUP 08/09 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.09.2013 WUP 09/13 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL (72) Twórca(y) wynalazku: CZESŁAW KOZIARSKI, Wrocław, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Regina Kozłowska
2 PL 214 686 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest silnik spalinowo-elektryczny dwu-czterosuwowy o dwustopniowym rozprężaniu dołączany okresowo do maszyny elektrycznej, który może być stosowany we wszelkiego typu pojazdach mechanicznych a szczególnie miejskich. Znane są ze stosowania silniki spalinowe dwusuwowe różnego typu. Najbardziej zbliżoną konstrukcją jest przedstawiony w opisie patentowym PL-183981 pt. Silnik spalinowy dwusuwowy. Jest to dwusuwowy silnik spalinowy zasilany w paliwo wtryskowo, który posiada cylindry współpracujące z dwoma tłokami związanymi z wałem korbowym za pomocą korbowodów. Wał korbowy o dwóch przeciwstawnych wykorbieniach łożyskowany jest, tak jak i korbowody łożyskami ślizgowymi, w komorze korbowodowej zamkniętej miską olejową. W korpusie silnika mieszczą się też dwuprzekrojowe cylindry i tłoki, których części o większych przekrojach stanowią sprężarki. Cylindry te połączone są kanałami dolotowymi, których wyloty znajdują się w sąsiednich cylindrach silnika tuż nad denkami tłoków w ich dolnym martwym położeniu. Naprzeciw nich znajdują się kanały wylotowe spalin. Kanały dolotowe do sprężarek zaopatrzone są w płytkowe zawory ssące. Silnik tłokowy znany jest z europejskiego opisu patentowego nr EP1640628, który na wale korbowym ma z jednej strony osadzoną przeciwwagę, a z drugiej strony koło zamachowe, przy czym silnik ten napędza silnik elektryczny. Silnik ma co najmniej jeden cylinder z tłokiem, a na cylindrze zamontowana jest głowica. W skrzyni korbowej, za pomocą łożysk, ułożyskowany jest mechanizm korbowy składający się z dwóch kół zamachowych z przeciwwagami. Pomiędzy przeciwwagami jest zamontowany czop korbowy, który współdziała z tłokiem. Wirnik silnika elektrycznego jest zamontowany w łożyskach rotora, a jego wał jest połączony napędowo z mechanizmem korbowym za pomocą sprzęgła, które jest skrętnie sztywne. Istota silnika według wynalazku, polega na tym, że przeciwwagi wyważające moment przewracania silnika zamontowane są na wale korbowym z lewej i z prawej strony. Nad korpusem umieszczony jest zbiornik spalin i powietrza połączony poprzez zawór trójdrożny z przewodem, a w zbiorniku spalin i powietrza osadzone są przewody doprowadzające mieszaninę spalin i powietrza do kanałów doprowadzających poprzez zawory suwakowe zasilające mieszaniną spalin i powietrza części cylindrów o większym przekroju, ponadto wał korbowy jest połączony poprzez sprzęgło z maszyną elektryczną. Korzystnie, sprzęgło jest sprzęgłem kłowym z synchronizatorem, przy czym sprzęgło ma dwa wręby pod kły oraz dwie pary kłów usytuowanych do siebie prostopadle i działających na przemian. Korzystnie, że maszyna elektryczna jest maszyną o jednej parze biegunów. Korzystnym jest również to, że na korpusie osadzona jest turbosprężarka sprzężona z dodatkową maszyną elektryczną, przy czym turbosprężarka jest połączona przewodem powietrznym dostarczającym chłodzące powietrze z wnętrzem maszyny elektrycznej, a przewodem odprowadzającym powietrze z kanałami korpusu. Jednocześnie kanały korpusu są połączone kanałem zasilającym powietrzem turbinę w turbosprężarce. Korzystnie, w korpusie są osadzone zawory ssące zasysające powietrze do części cylindrów o większym przekroju oraz zawory wydechowe usuwające mieszaniny spalin i pary z części cylindrów o większym przekroju. Korzystnym jest, gdy cylindry są wyposażone w kanał odprowadzający spaliny. Zasadniczą zaletą silnika, gdy pracuje on jako silnik czterosuwowy jest powodowany przez niego niski hałas oraz prawie całkowite wykorzystanie energii paliwa. Cylindry silnika są połączone kanałami doprowadzającymi, z których każdy łączy część cylindra o większym przekroju z częścią sąsiedniego cylindra o mniejszym przekroju. Wewnątrz każdego cylindra pracuje dwuprzekrojowy tłok. Wał korbowy na swoich końcach ma zamocowane przeciwwagi. Na większym przekroju tłoka jest osadzony pierścień uszczelniająco-zgarniający. Z drugiej strony cylindry zaopatrzone są w zawory sterowane elektronicznie za pomocą siłowników elektromagnetycznych lub wykorzystujących zjawisko zmiany kształtu przewodu elektrycznego pod wpływem zmiany natężenia prądu. Silnik ten jest okresowo dołączany do maszyny elektrycznej za pomocą sprzęgła kłowego z synchronizatorem. Maszyna ta jest chłodzona nie za pomocą wentylatora napędzanego silnikiem elektrycznym, ale za pomocą turbosprężarki napędzanej dodatkową maszyną elektryczną, która też służy jako prądnica, gdy pracuje silnik spalinowy. Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój podłużny silnika spalinowo-elektrycznego dwusuwowego widziany z boku, fig. 2 -
PL 214 686 B1 3 przekrój podłużny silnika spalinowo-elektrycznego dwusuwowego widziany z góry, a fig. 3 - przekrój poprzeczny silnika. Silnik spalinowo-elektryczny dwu-czterosuwowy wykonany jako silnik spalinowy dwusuwowy, składa się z korpusu 1 z dwuprzekrojowymi cylindrami 2 i łączącymi je kanałami doprowadzającymi 3. W cylindrach tych są umieszczone dwuprzekrojowe tłoki 4 wyposażone w pierścienie uszczelniające 5 oraz pierścienie uszczelniająco-zgarniające 6. W tłokach 4 są sworznie tłokowe 7 ułożyskowane na łożyskach 8 znajdujących się w głowach korbowodów 9. Z drugiej strony korbowody 9 ułożyskowane są na wale korbowym 10 za pomocą łożysk ślizgowych 11. Z lewej strony silnika wał korbowy 10 ułożyskowany jest w korpusie 1 za pomocą łożyska ślizgowego wału 12 i z prawej za pomocą łożyska ślizgowego wału 13. Zawory ssące wydechowe 14 oraz rozrządy suwakowe 15, są sterowane elektronicznie za pomocą siłowników elektromagnetycznych lub wykorzystujących zjawisko zmiany kształtu przewodu elektrycznego pod wpływem zmiany natężenia prądu. Od dołu korpus silnika 1 zamknięty jest miską olejową 16. Kanał 17 służy do odprowadzania spalin, gdy silnik pracuje jako dwusuwowy. Z lewej strony na wale korbowym 10 znajduje się przeciwwaga 18, wyważająca moment przewracania silnika, a z prawej kończy się on przeciwwagą 19. Nad korpusem silnika znajduje się zbiornik spalin 20, do którego doprowadzane są spaliny z cylindrów 2 poprzez zawór trójdrożny 21 przewodem 22. Kanały 23 służą do doprowadzania mieszaniny pary do kanałów doprowadzających 3 poprzez suwakowe zawory parowe 24. Zawory ssące 25 służą do zasysania powietrza do, a wydechowe 26 służą do usuwania mieszaniny spalin i pary z części cylindrów 2 o większym przekroju. Sprzęgło 27 jest sprzęgłem dwu-kłowym z synchronizatorem. Ma ono dwa wręby pod kły raz dwie pary kłów usytuowanych do siebie prostopadle i działających na przemian. Maszyna elektryczna 28, która jest zasadniczym napędem pojazdu, jest maszyną o jednej parze biegunów. Silnik według wynalazku wyposażony jest też w turbosprężarkę 29, która jest sprzężona z dodatkową maszyną elektryczną 30. Przewód powietrzny 31 służy do dostarczania powietrza chłodzącego od wewnątrz maszynę elektryczną 28, a przewód 32 do odprowadzania go do kanałów w korpusie silnika 1. Kanał 33 służy do zasilania tym powietrzem turbiny w turbosprężarce 30. Sprężone, w napędzanej dodatkową maszyną elektryczną 30 turbosprężarce 29 powietrze, przetłaczane jest do maszyny elektrycznej 28 przewodem 31, gdzie chłodząc ją zostaje podgrzane. Z niej przewodem 32 zostaje przetłaczane do kanałów w korpusie silnika 1 podgrzewając go. Ułatwia to jego zapłon i zwiększa sprawności w czasie rozruchu. Następnie kanałem 33 powietrze wlatuje do turbiny turbosprężarki 31 wspomagając maszynę 30, która też służy jako prądnica, gdy pracuje silnik spalinowy. Powodowane to jest znacznym zwiększaniem objętości powietrza, gdyż służy ono wtedy do chłodzenia cylindrów tego silnika. Gdy silnik spalinowy działa jako dwusuwowy to wtedy w czasie ruchu tłoków 4 z ich górnego martwego punktu do dolnego ich części o mniejszym przekroju wykonują suw pracy, a o większym przekroju zasysają poprzez zawór wlotowy 25 powietrze do współdziałających z nimi części cylindrów. Po zmianie kierunku ruchu tłoków zawór 25 przymyka wlot powietrza, dzięki czemu zostaje ono częściowo sprężane aż do chwili otwarcia przez tłok 4 w sąsiednim cylindrze wylotu kanału doprowadzającego 3, przez który zostaje ono do niego wtłoczone jednocześnie wypychając z niego spaliny. Przed otwarciem ich otwierane są zawory 14, przez które początkowo usuwane są spaliny a następnie w zależności od stopnia napełnienia cylindrów roboczych usuwane jest też powietrze. Wielkość kąta otwarcia zaworów 14 ustalana jest za pomocą pedału przyspieszacza pompą wtryskową paliwa. Przy czym im mniejsze napełnienie tym większy kąt otwarcia zaworów 14 aż do pełnego jego otwarcia, co powoduje ochładzanie cylindrów a przede wszystkim tych zaworów. Po czym następuje sprężanie powietrza i wtrysk paliwa oraz zapłon mieszanki przed górnym martwym punktem. Zawory w rozrządach 15 są unieruchomione w położeniu pozwalającym na przepływ gazów do zaworu trójdrożnego 21 a stąd do przewodu 17. Gdy silnik według wynalazku działa jako czterosuwowy to w czasie ruchu tłoków 4 z ich górnego martwego punktu do dolnego zasysają one powietrze zaworami ssąco-wydechowymi 14. Po zmianie kierunku ruchu następuje zmiana położenia suwaka w rozrządzie 15 i przez niego wytłaczanie nadmiaru powietrza do zbiornika 20, co powoduje ochładzanie cylindrów a przede wszystkim tych zaworów. Kąt otwarcia zaworów 14 jest tym większy im mniejszy jest stopień napełniania cylindrów powietrzem. Ich części o większym przekroju zasilane są w tym czasie, poprzez zawór suwakowy 24 mieszaniną spalin i powietrza, przy czym kąt otwarcia tych zaworów jest tym większy im większy jest stopień napełniania tą mieszaniną cylindrów. Następnie następuje sprężanie powietrza i wtrysk paliwa oraz zapłon mieszanki przed górnym martwym punktem. Następnie tłoki 4 wykonują suw pracy. Przed
4 PL 214 686 B1 otwarciem wylotów kanałów doprowadzających 3 otwierane są zawory 14, przez które usuwane są spaliny do zbiornika 20, a następnie też chwilowo i przez kanały 3 do części sąsiednich cylindrów o większych przekrojach. Przekroje poprzeczne górnych części cylindrów i tłoków są kołowe a dolne owalne. Zastosowanie owalnych przekrojów poprzecznych w zespole cylinder 2 i tłok 4, pozwala uzyskać przy tej samej długości silnika, znacznie większą wydajność sprężarki. Umożliwia to dowolne doładowywanie silnika, gdy pracuje on jako silnik dwusuwowy oraz rozprężanie spalin i powietrza w czasie pracy jako silnik czterosuwowy, co znacznie zwiększa jego moc i sprawność. Stosując doładowanie silnika według wynalazku, gdy pracuje on jako silnik dwusuwowy, turbosprężarką można wykorzystać do napędu ciepło jego chłodzenia dwojako. Stosując jak to opisano wyżej sprężarki o dużej wydajności wykorzystać energię spalin w turbinie związanej z wałem silnika - lub z inną osią pojazdu. W drugim przypadku stosując turbosprężarkę można tę energię wykorzystać do napędu wału silnika przy napełnianiu sprężonym w niej powietrzem sprężarki, która pracuje wtedy jako silnik powietrzny. Opisany silnik jest w zasadzie silnikiem niskoprężnym, ale może być on też silnikiem wysokoprężnym. Dodatkowo większa objętość sprężarki od cylindra roboczego zapewnia dobre usuwanie spalin przy pełnym jego napełnieniu. Jeszcze lepsze ich usuwanie uzyskuje się, gdy ze względu na potrzebę częściowego wykorzystania mocy silnika przedłużane jest otwarcie zaworu wylotowego celem zmniejszania jego napełnienia. Niewykorzystane powietrze, dostarczone ze sprężarki, przetłaczane jest do układu wydechowego i zwiększa tym samym skuteczność działania katalizatora. Jest to szczególnie ważne ze względów ekologicznych, ponieważ im mniejsze jest napełnienie cylindra tym gorszy jest skład wydalanych z niego spalin. W silniku według wynalazku napełnienie to można zwiększyć a przez to poprawić nie tylko skład spalin, ale i sprawność silnika w ten sposób, że przy mniejszym od połowy maksymalnym obciążeniu można wyłączyć z pracy jeden jego układ napędowy. Otwierając przy tym na stałe zawór wylotowy, wyłączonego cylindra roboczego, zmieniany jest ten układ w pompę tłoczącą powietrze do układu wydechowego silnika zwiększając skuteczność działania jego katalizatora spalin. Zmniejsza to opory ruchu niepracującego układu a wlatujące częściowo do niepracującego cylindra roboczego spaliny ogrzewają go i przez to jest utrzymywany w ciągłej gotowości do pracy. Drugi układ musi w takim przypadku rozwijać większą moc a przez to mieć większe napełnienie, co zapewnia większą jego sprawność. Stałe otwarcie zaworów umożliwia rozruch silnika spalinowego maszyną elektryczną zamiast rozrusznikiem. Maszyna ta oprócz napędzania służy też do ładowania akumulatorów silnikiem, do odzyskowego hamowania pojazdu oraz jego napędu na skrzyżowaniach, przystankach a szczególnie w korkach ulicznych, co jest bardzo korzystne ekologicznie. Zastrzeżenia patentowe 1. Silnik spalinowo-elektryczny dwu-czterosuwowy ma korpus wyposażony w cylindry współpracujące z tłokami związanymi z wałem korbowym za pomocą korbowodów jednocześnie wał korbowy w dwóch przeciwstawnych wykorbieniach, ponadto na wale korbowym zamontowane jest koło zamachowe z przeciwwagą, znamienny tym, że przeciwwagi (18) i (19) wyważające moment przewracania silnika zamontowane są na wale korbowym (10) z lewej i z prawej strony, przy czym nad korpusem (1) umieszczony jest zbiornik spalin i powietrza (20) połączony poprzez zawór trójdrożny (21) z przewodem (22), a w zbiorniku spalin i powietrza (20) osadzone są przewody (23) doprowadzające mieszaninę spalin i powietrza do kanałów doprowadzających (3) poprzez zawory suwakowe (24) zasilające mieszaniną spalin i powietrza części cylindrów (2) o większym przekroju, ponadto wał korbowy (10) jest połączony poprzez sprzęgło (27) z maszyną elektryczną (28). 2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że sprzęgło (27) jest sprzęgłem kłowym z synchronizatorem, przy czym sprzęgło (27) ma dwa wręby pod kły oraz dwie pary kłów usytuowanych do siebie prostopadle i działających na przemian. 3. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że maszyna elektryczna (28) jest maszyną o jednej parze biegunów. 4. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że na korpusie (1) osadzona jest turbosprężarka (29) sprzężona z dodatkową maszyną elektryczną (30), przy czym turbosprężarka (29) jest połączona przewodem powietrznym (31) dostarczającym chłodzące powietrze z wnętrzem maszyny elektrycznej (28),
PL 214 686 B1 5 a przewodem (32) odprowadzającym powietrze z kanałami korpusu (1), jednocześnie kanały korpusu (1) są połączone kanałem (33) zasilającym powietrzem turbiny z turbosprężarką (30). 5. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że w korpusie (1) ma osadzone zawory ssące (25) zasysające powietrze do części cylindrów (2) o większym przekroju. 6. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że w korpusie (1) ma osadzone zawory wydechowe (26) usuwające mieszaniny spalin i pary z części cylindrów (2) o większym przekroju. 7. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że cylindry (2) są wyposażone w kanał (17) odprowadzający spaliny.
6 PL 214 686 B1 Rysunki
PL 214 686 B1 7
8 PL 214 686 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)