PL167906B1 - Dwusuwowy silnik spalinowy z wirującymi cylindrami o układzie gwiazdowym - Google Patents

Abstract

Dwusuwowy ssihikc spaiinowy z wrującymi cyiindrami o dzie gwiazdowym, posiadający wirnik z ukierunkowanymi zasadniczo promieniowo zespołami tłok-cylinder, w których każdy tłok opiera się o wewnętrznąpowierzchnię obudowy obejmującej wirnik, ajegodenko zamyka komorę roboczą usytuowaną w strefie środkowej wirnika, oraz w którym to silniku sterowanie cyklem w komorach roboczych dokonywane jest rozrządem szczelinowym przez okna płuczące i wylotowe w ściankach cylindrów, znamienny tym, zejego obudowa (12), o walcowej powierzchni wewnętrznej, ustalona jest obrotowo w łożysku (13) przesuniętym mimośrodowo (e) względem osi wału (2) wirnika (1), który ukształtowanyjest w postaci dwóch tarcz (3) obejmujących cylindry (9) oraz wydzielających między cylindrami (9) otwarte od zewnątrz komory wstępnego sprężania (4), przy czym wnętrze obudowy (12) i komOr wstępnego sprężanin a!) wypełrnonejest cz^śc^i^^o pierścicnmmcieczowwm (14),a każda komoro wwtspnego sprercznIo (4) ma w tarczy (3) okno (5), usytuowane w polu wewnątrz koncentrycznej strefy obeJIncJącee oIno wolotowo (11), pooadto oil^l^ kosisda ainiechoma tarczę roozrjdu (17), preylegajacą czo^ow do oarczy O) (i) a aawierarącą kanaty doJolo^w ( 18), wWolo^O (21) ) pręełotowo U22), zworuicroroone odpowiwdrno do cydu roboczego promleniowym usytuowwnnm w koncentrycznej strefie i kątem środkowym, przy czym kanał przelotowy (22) łączy wowoęlrcni0i przez tarczę roztządu 07), okno oS) aomcw op^za· nia (4) usytuowanej w strefie po stronie przeciwnej mimośrodu (e), z oknem plecz-^cyru (10) w cyKndtze e9) po drugigi ots<cnlo winina a I), w krótym występuje faza płukania.

Description

Przedmiotem wynalazku jest wielocylindrowy, dwusuwowy silnik spalinowy o rozrządzie szczelinowym, którego zespoły tłok-cylinder ustalone są w wirniku według zasadniczo promieniowych kierunków. Silnik szczególnie nadaje się do napędu łodzi motorowych oraz pomp wodnych.

Jednym ze znanych silników o takim układzie konstrukcyjnym jest rozwiązanie przedstawione polskim opisem patentowym nr 147 233. Silnik ten posiada wirnik, w którym ustalone są - w układzie gwiazdowym oraz parami wzdłuż osi silnika - zespoły tłok-cylinder. Tłoki mają dwustopniowe ukształtowanie, wydzielające stopniem o większej średnicy komorę wstępnego sprężania a stopniem mniejszej średnicy - komorę roboczą, usytuowaną w strefie bliższej osi

167 906 wirnika. Tłoki współpracują w parach przyporządkowanych sobie wzdłuż osi silnika, realizując przemiennie cykl roboczy tak, że mieszanka sprężona w komorze wstępnego sprężania pierwszego cylindra przepływa kanałem przelotowym do komory roboczej drugiego cylindra - w którym realizowana jest faza płukania i odwrotnie. Od strony zewnętrznej, każdy tłok stopniem o większej średnicy, opiera się przez rolki o bieżnię nieruchomej obudowy, obejmującej współosiowo wirnik oraz ukształtowanej tak, że jej krzywizna realizuje założony cyklem przesuw tłoka. Sterowanie przepływem mieszanki i gazów spalinowych prowadzone jest rozrządem szczelinowym przez okna płuczące i wylotowe w ściankach cylindrów. Zamiana energii posuwisto-zwrotnego ruchu tłoków na energię ruchu obrotowego wirnika następuje w wyniku oddziaływania sił składowych występujących na powierzchni krzywkowej obudowy.

Przedstawione rozwiązanie jest konstrukcyjnie złożone, trudne technologicznie, jego sprawność mechaniczna i trwałość narzuca układ krzywkowy: rolek podpierających tłoki oraz bieżni obudowy. Praca silnika realizowana jest ze znanymi wadami występującymi przy dwusuwowym płukaniu komór roboczych, stratami wylotowymi mieszanki paliwowo-powietrznej oraz wysoką toksycznością gazów spalinowych.

W rozwiązaniu według wynalazku obudowa silnika ustalona jest obrotowo w łożysku przesuniętym mimośrodowo względem osi wału wirnika, a jej powierzchnia wewnętrzna - o którą opierają się tłoki jest walcowa. Wirnik ukształtowany jest w postaci dwóch tarcz obejmujących cylindry oraz wydzielających między cylindrami komory wstępnego sprężania, otwarte od zewnątrz. Wnętrze obudowy i komór wstępnego sprężania wypełnione jest częściowo pierścieniem cieczowym. Każda z komór wstępnego sprężania ma w tarczy okno, usytuowane w polu wewnątrz koncentrycznej strefy obejmującej okna wylotowe cylindrów. Ponadto silnik posiada nieruchomą tarczę rozrządu, przylegającą czołowo do tarczy wirnika, a zawierającą kanały dolotowy, wylotowy i przelotowy - zwymiarowane odpowiednio do cyklu roboczego promieniowym usytuowaniem w koncentrycznej strefie i kątem środkowym. Kanał przelotowy łączy wewnętrznie, przez tarczę rozrządu, okno komory wstępnego sprężania usytuowanej w strefie po stronie przeciwnej mimośrodu z oknem kanału płuczącego w cylindrze po drugiej stronie wirnika, w którym występuje faza płukania.

Pierścień cieczowy, zastosowany w tak zbudowanym silniku, spełnia wiele różnych funkcji: jego walcowa powierzchnia wewnętrzna przy mimośrodowym układzie z wirnikiem spręża wstępnie czynnik roboczy do wymaganej wartości, uszczelnia wszystkie ruchome elementy silnika oraz odprowadza nadmiar ciepła. Korzystnym, z uwagi na sprawność mechaniczną układu zamiany ruchu posuwisto-zwrotnego na obrotowy, jest obracająca się z wirnikiem obudowa. Walcowy kształt powierzchni wewnętrznej, współpracy z tłokami, jest technologicznie bardzo prostym.

Rozwinięciem opisanego powyżej wynalazku jest konstrukcja usprawniająca fazę płukania cylindra. Każda z komór wstępnego sprężania została poprzecznie podzielona przegrodą na komorę powietrza i komorę mieszanki tak, że komora powietrza występuje jako pierwsza przy danym kierunku obrotów wirnika. Okna tych komór usytuowane są w przylegających, koncentrycznych strefach na tarczy wirnika. Współpracujące z oknami kanały dolotowe połączone są odpowiednio: pierwszy z filtrem powietrza a drugi z urządzeniem wytwarzającym bogatą mieszankę paliwo-powietrzną. Kanały przelotowe usytuowane są tak, że komora mieszanki łączona jest z oknami cylindra jako druga, w końcowej fazie napełniania.

Podział komór wstępnego sprężania, dający oddzielne sprężanie i kolejny przepływ do cylindra: najpierw płuczącym powietrzem a następnie napełniający go mieszanką, istotnie zmniejsza straty wylotowe paliwa oraz toksyczność spalin.

Pierścień cieczowy silnika może być korzystnie włączony w układ chłodzenia wejściem przez współosiowy kanał w wale wirnika, jego piastę i wyloty w strefie komór wstępnego sprężania oraz wyjściem przez przelew usytuowany na obudowie według wymaganego promienia wewnętrznego pierścienia cieczowego.

Silnik jest konstrukcyjnie bardzo prosty i tani w wykonaniu. Ciecz uszczelniająca wirnik stwarza dobre warunki samoczynnego obiegu chłodzenia, bez konieczności stosowania dodatkowej pompy.

167 906

Przedmiot wynalazku w dwóch przykładowych rozwiązaniach silników jest przedstawiony na rysunkach. Pierwszy z silników zobrazowany jest kolejno: na fig. 1 w przekroju prowadzonym przez osie cylindrów według płaszczyzny A-A wyznaczonej na fig. 3, fig. 2 przedstawia powierzchnię przylgową tarczy rozrządu, co odpowiada oznaczonemu na fig. 3 przekrojowi B-B, a fig. 3 pokazuje silnik w przekroju osiowym. Drugi silnik działający z jakościowym zróżnicowaniem strumienia płuczącego przedstawiony jest na fig. 4 w przekroju przez osie cylindrów a na fig. 5 widokiem tarczy rozrządu.

Na końcu wału 2 silnika osadzony jest wirnik 1, wykonany techniką odlewniczą, posiadający kształt dwóch tarcz 3 obejmujących cylindry 9, których osie usytuowane są promieniowo, względnie odchylone są nieco w kierunku przeciwnym do zwrotu prędkości kątowej silnika. Cylindry 9 zamknięte są od strony osi wału 2 piastą wirnika 1, natomiast od zewnątrz są otwarte. Prowadzone w cylindrach 9 tłoki 8 opieraj ą się od zewnątrz o walcową powierzchnię wewnętrzną obudowy 12. Obudowa 12 obejmuje wirnik 1 oraz ustalona jest w łożysku 13, przesuniętym mimośrodowo e względem osi wału 2 i usytuowanym po jego przeciwnej stronie. Na pobocznicach tłoków 8 wykonane są rowki uszczelnień labiryntowych. W ściankach cylindrów 9, od strony wału 2 wirnika 1, znajdują się okna płuczące 10 oraz okna wylotowe 11. Podczas pracy silnika przestrzeń obudowy 12 wypełniona jest . częściowo cieczą tworzącą pierścień cieczowy 14, którego promień wewnętrzny r wyznacza okrąg obejmujący obrys piasty wirnika 1. W ten sposób między piastą wirnika 1, cylindrami 9, tarczami 3 oraz wewnętrzną powierzchnią pierścienia cieczowego 14 ograniczone zostały komory wstępnego sprężania 4, z których każda ma w tarczy 3 okno 5 usytuowane wewnątrz koncentrycznej strefy obejmującej okno wylotowe 11. Do czołowej powierzchni tarczy 3, w której wykonane są okna 5, okna płuczące 10 i okna wylotowe 11, przylega nieruchoma tarcza rozrządu 17. Do tarczy rozrządu 17 dołączone są kanał dolotowy 18 i wylotowy 21, połączone odpowiednio z gaźnikiem G i tłumikiem I. Ponadto w tarczy rozrządu 17 wykonany jest wewnętrzny kanał przelotowy 22, łączący okno 5 komory wstępnego sprężania 4 - która usytuowana jest w strefie po stronie przeciwnej mimośrodu e -, z oknem płuczącym 10 w cylindrze 9 po przeciwległej stronie wirnika 1 - w którym występuje faza płukania. W celu zobrazowania współdziałania okien, na fig. naniesiono linią przerywaną rzuty okna 5 oraz okien płuczącego 10 i wylotowego 11. Pierścień cieczowy 14 włączony jest w obieg chłodzenia silnika przez kanał 15 prowadzony współosiowo wzdłuż wału 2, piastę wirnika 1 oraz przez otwory wylotowe 25 wykonane przez ściankę piasty w strefie komór wstępnego sprężania 4. Istotną dla pracy silnika stałą wartość promienia wewnętrznego r pierścienia cieczowego 14, zapewniają przelewy 16 - wykonane w ściance obudowy 12, po stronie łożyska 13.

W przedstawionym silniku fazy zasysania mieszanki paliwo-powietrznej, jej wstępnego sprężania oraz przetłoczenia do cylindra 9, wykonywane są w wyniku zmieniającej się przy obrocie wirnika 1 objętości komory wstępnego sprężania 4 - podobnie jak w sprężarkach z pierścieniem wodnym. Hydrodynamika takiego rozwiązania umożliwia praktycznie spręż do około 3 atn..

Podczas obrotu wirnika 1 mieszanka paliwo-powietrzna zostaje zassana z gaźnika G, przez tarczę rozrządu 17, kanał dolotowy 18 i okno 5, do komory wstępnego sprężania 4. Faza ta występuje gdy okno 5 przebiega strefę, która na rysunku fig. 2 może być najprościej określona pojęciem geograficznym jako północno-wschodnia. Dalszy obrót wirnika 1 powoduje zamknięcie komory wstępnego sprężania 4 i sprężanie mieszanki aż do momentu gdy okno 5 wchodzi w strefę zachodnio-północną okna kanału przelotowego 22. Mieszanka przepływa kanałem przelotowym 22 oraz oknem płuczącym 10 do cylindra 9, który w tym momencie przebiega strefę południową, a jego tłok 8 znajduje się w zakresie zwrotu zewnętrznego. Następuje płukanie i napełnianie komory roboczej świeżym ładunkiem. W czasie dalszego obrotu wirnika 1, oddziaływanie obudowy 12 wirującej ekscentrycznie względem wirnika 1, powoduje dośrodkowe przemieszczanie tłoka 8 i sprężanie ładunku. Równocześnie z tłokiem 8 przemieszcza się pierścień cieczowy 14, powodując uszczelnienie tłoka 8 w cylindrze 9. Przed zwrotem wewnętrznym tłoka 8 następuje zapalenie mieszanki paliwo-powietrznej od świecy zapłonowej 29. Wzrost ciśnienia w komorze roboczej wywołuje ruch tłoka 8 w kierunku odśrodkowym, transformowany na ruch obrotowy wirnika 1 przez silę styczną powstałą na styku

167 906 z obudową 12. Przed zwrotem zewnętrznym tłoka 8 następuje otwarcie okna wylotowego 11, którym gazy spalinowe wypływają dalej przez kanał wylotowy 21 do tłumnika I i atmosfery. Opory tarcia między tłokami 8 a swobodnie łożyskowaną obudową 12 są bardzo małe. Na dopływie do kanału 15 zainstalowany jest zawór regulacyjny, nieuwidoczniony na rysunku, odcinający dopływ w okresie opróżniania obudowy 12 z cieczy przed zatrzymaniem silnika oraz sterujący odpowiednio przepływem w celu utrzymywania właściwej temperatury silnika. Silnik przedstawiony na fig. 4 i 5 różni się od powyżej opisanego odmiennym rozwiązaniem komór wstępnego sprężania 4, tarczy rozrządu 17 oraz układu dolotowego. Każda z komór wstępnego sprężania 4 podzielona została poprzeczną przegrodą 28 na komorę powietrza 6 i komorę mieszanki 7, wyposażone odpowiednio w okna 26 i 27 - usytuowane w strefach najbliższych piasty wirnika 1. Tarcza rozrządu 17 posiada kanał dolotowy powietrza 19, współpracujący z oknem 26 komory powietrza 6 oraz kanał dolotowy mieszanki 20 łączący się w odpowiedniej fazie rozrządu z oknem 27 komory mieszanki 7. Ponadto w tarczy rozrządu 17 wykonane są jako wewnętrzne: kanał przelotowy powietrza 23 i kanał przelotowy mieszanki 24, usytuowane tak, że komora mieszanki 7 łączona jest z oknami cylindra 9 jako druga, w końcowej fazie napełniania. Kanał dolotowy powietrza 19 połączony jest z filtrem F, a kanał dolotowy mieszanki 20 z gaźnikiem G.

Rozwiązanie takie pozwala uzyskać jakościowo zróżnicowanie w czasie strumienia ładunku napływającego do komory roboczej. Łączony w pierwszym okresie kanał przelotowy powietrza 23, daje płukanie komory ze spalin czystym powietrzem, a dopiero następnie kanałem przelotowym mieszanki 23 doprowadzanajest odpowiednio wzbogacona mieszanka paliwo-powietrzna. Zmieszanie ich w komorze roboczej tworzy ładunek o wymaganym współczynniku nadmiaru powietrza λ. Wyeliminowanie strat wylotowych stanowi o znacznie korzystniejszych wskaźnikach zużycia paliwa i toksyczności spalin.

167 906

28

fig.5

167 906

fig.2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,50 zł

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Dwusuwowy silnik spalinowy z wirującymi cylindrami o układzie gwiazdowym, posiadający wirnik z ukierunkowanymi zasadniczo promieniowo zespołami tłok-cylinder, w których każdy tłok opiera się o wewnętrzną powierzchnię obudowy obejmującej wirnik, a jego denko zamyka komorę roboczą usytuowaną w strefie środkowej wirnika, oraz w którym to silniku sterowanie cyklem w komorach roboczych dokonywane jest rozrządem szczelinowym przez okna płuczące i wylotowe w ściankach cylindrów, znamienny tym, że jego obudowa (12), o walcowej powierzchni wewnętrznej, ustalonajest obrotowo w łożysku (13) przesuniętym mimośrodowo (e) względem osi wału (2) wirnika (1), który ukształtowany jest w postaci dwóch tarcz (3) obejmujących cylindry (9) oraz wydzielających między cylindrami (9) otwarte od zewnątrz komory wstępnego sprężania (4), przy czym wnętrze obudowy (12) i komór wstępnego sprężania (4) wypełnione jest częściowo pierścieniem cieczowym (14), a każda komora wstępnego sprężania (4) ma w tarczy (3) okno (5), usytuowane w polu wewnątrz koncentrycznej strefy obejmującej okno wylotowe (11), ponadto silnik posiada nieruchomą tarczę rozrządu (17), przylegającą czołowo do tarczy (3) wirnika (1) a zawierającą kanały dolotowy (18), wylotowy (21) i przelotowy (22), zwymiarowane odpowiednio do cyklu roboczego promieniowym usytuowaniem w koncentrycznej strefie i kątem środkowym, przy czym kanał przelotowy (22) łączy wewnętrznie, przez tarczę rozrządu (17), okno (5) komory wstępnego sprężania (4) usytuowanej w strefie po stronie przeciwnej mimośrodu (e), z oknem płuczącym (10) w cylindrze (9) po drugiej stronie wirnika (1), w którym występuje faza płukania.

2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że każda z komór wstępnego sprężania (4) podzielona jest poprzecznie przegrodą (28) na komorę powietrzną (6) i komorę mieszanki (7) tak, że komora powietrzna (6) występuje jako pierwsza przy danym kierunku obrotów wirnika (1), zaś okna (26,27) z tych komór (6,7) usytuowane są w przylegających koncentrycznych strefach na tarczy (3) wirnika (1), natomiast współpracujące z tymi oknami (26,27) kanał dolotowy powietrza (19) i kanał dolotowy mieszanki (20) połączone są odpowiednio: pierwszy z filtrem powietrza (F) a drugi z urządzeniem wytwarzającym bogatą mieszankę paliwo-powietrzną (G), przy czym okna kanałów przelotowych powietrza (23) i mieszanki (24) usytuowane są tak, że komora mieszanki (7) łączona jest z oknami cylindra (9) jako druga, w końcowej fazie napełniania.

3. Silnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pierścień cieczowy (14) włączony jest w układ chłodzenia silnika wejściem poprzez współosiowy kanał (15) w wale (2) wirnika (1), jego piastę i otwór wylotowy (25) w strefie komór wstępnego sprężania (4), oraz wyjściem przez przelew (16) na obudowie (12), usytuowany według wymaganego promienia wewnętrznego (r) pierścienia cieczowego (14).