PL173946B1

PL173946B1 - Głowica tłokowego silnika spalinowego

Info

Publication number: PL173946B1
Application number: PL94303369A
Authority: PL
Inventors: George J. Coates
Original assignee: Coates George J
Priority date: 1993-05-12
Filing date: 1994-05-09
Publication date: 1998-05-29
Also published as: SK283125B6; FI106879B; SK49594A3; MY110473A; JPH0771212A; JP3493054B2; BG98766A; KR100285222B1; RO111488B1; EP0624718B1; JO1794B1; PH31224A; CZ287183B6; CN1041451C; TW268071B; ES2113005T3; AU6071994A; US5361739A; DE69408360T2; IL108717A

Abstract

1. Glowica tlokowego silnika spalinowego z zespolem kulistych zaworów obrotowych, zwlaszcza silników spalinowych zawierajacych tlok i cylinder, znamienna tym, ze stanowi ode- jmowalna, dwuczesciowa glowica cylindra, zamocowana do silni- ka spalinowego, przy czym ta dwuczesciowa wyjmowalna glowica cylindra zawiera górna (112) i dolna (110) czesc glowicy cylindra, zas ta górna (112) 1 dolna (110) czesc glowicy cylindra, dla kazdego cylindra tego silnika, ma po dwie wneki usytuowane poprzecznie wzgledem kazdego z cylindrów, które to wneki obej- muja wneki dolne (107) mieszczace obrotowe zawory kuliste (10, 40), 1 wneki górne (113) mieszczace obrotowe zawor y kuliste (10, 40), przy czym dolna (11) czesc glowicy cylindra w obrebie kazdej wneki (107) ma otwór wlotowy (108) polaczony z cylindrem, a górna (112) czesc glowicy cylindra w obrebie kazdej wneki (113) ma otwór wylotowy (109) polaczony z cylindrem, zas w otworze wlotowym (108) 1 otworze wylotowym (109) umieszczone jest uszczelnienie (116), a ponadto glowica posiada pierwszy kanal (114) wprowadzajacy mieszanke palna do glowicy cylindra po- przez komory wlotowe (115, 117) umieszczone z obu stron kaz- dej wneki mieszczacej obrotowy zawór ssacy (10), a ponadto drugi kanal (120) odprowadzajacy gazy wydechowe z cylindra poprzez komory (121, 123) umieszczone z obu stron kazdej wneki mieszczacej obrotowy zawór wydechowy (40), oraz pier- wszy wal (28) zamocowany na powierzchniach nosnych wewnatrz pierwszej wneki, ustawionej poprzecznie wzgledem cylindrów silnika spalinowego, przy czym na tym pierwszym wale (28) zamocowany jest ssacy obrotowy zawór kulisty (10), i drugi wal zamocowany na powierzchniach nosnych, wewnatrz drugiej po- przecznie usytuowanej wneki, na którym to drugim wale zamon- towane sa wydechowe obrotowe zawory kuliste (40), przy czym ssacy obrotowy zawór kulisty (10) i wydechowy obrotowy . FIG 9 PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest głowica tłokowego silnika spalinowego z kulistym zaworem ssącym i wydechowym które służą do wprowadzania mieszanki palnej do cylindra i odprowadzania gazów wydechowych.

W tłokowo-cylindrowych silnikach spalinowych konieczne jest ładowanie mieszanki palnej do cylindra i odprowadzania gazów wydechowych.

W tłokowo-cylindrowych silnikach spalinowych konieczne jest ładowanie do cylindra mieszanki palnej w trakcie suwu spalania i odprowadzanie gazów wydechowych w trakcie suwu wydechu każdego cylindra silnika. W konwencjonalnych silnikach tłokowo-cylindrowych, cykle te następują tysiące razy na minutę na każdy cylinder. W konwencjonalnym silniku spalinowym, obrót wału krzywkowego powoduje otwieranie zaworu obciążonego sprężyną dla umożliwienia przepływu mieszanki palnej z gaźnika do cyllndra i komory spalania podczas suwu ssania. Dalszy obrót tego wału powoduje zamknięcie zaworu ssącego podczas suwu sprężania i suwu spalania cylindra i otwarcie

173 946 następnego zaworu obciążonego sprężyną, mianowicie zaworu wydechowego służącego do usuwania spalin z cylindra po zakończeniu suwu sprężenia i spalania. Gazy wydechowe opuszczają cyllnder i kierowane są do przewodu wydechowego.

Oprzyrządowanie potrzebne dla skutecznej pracy konwencjonalnych silników spalinowych posiadających zawory obciążone sprężyną obejmuje takie pozycje jak sprężyny, kliny poprzeczne, prowadnice, wałki wahacza, zawory, które są zwykle umieszczone w głowicy cylindra tak, że normalnie pracują w położeniu zasadniczo pionowym, a ich otwory znajdują się w ściankach cylindra dla wprowadzania lub odprowadzania gazów.

Gdy wzrastają obroty silnika, zawory zaczynają otwierać się i zamykać coraz częściej i krytycznego znaczenia nabierają czasy i tolerancje dla uniknięcia niepożądanego kontaktu tłoka z otwartym zaworem, co może spowodować poważne uszkodzenie silnika. W odniesieniu do wspomnianego powyżej oprzyrządowania i działania, normalną praktyką dla każdego cylindra jest zastosowanie jednego zaworu wydechowego i jednego zaworu ssącego z towarzyszącym oprzyrządowaniem wspomnianym powyżej, jednakże obecnie opracowano wiele silników spalinowych mających wiele układów zaworowych, z których każdy posiada towarzyszące oprzyrządowanie i wały wielokrzywkowe.

W standardowym silniku spalinowym wałek krzywkowy jest napędzany paskiem klinowym lub łańcuchem napędu rozrządu. Działanie tego wałka krzywkowego i towarzyszących zaworów uruchamianych przez wałek krzywkowy stwarza niebezpieczeństwo zmniejszenia wydajności silnika w wyniku tarcia występującego podczas pracy rozmaitych elementów.

W opisie patentowym USA nr 4 944 261 przedstawiano konstrukcję kulistych zaworów obrotowych, które obracają się z prędkością równą jednej czwartej prędkości wału silnika, i co więcej w taki sposób, że wlot i wylot zaworów jest połączony odpowiednio z kanałem wlotowym i wydechowym gazów z silnika. Poza tym opis ten dotyczy również sposobu smarowania wałka, na którym zamontowane są zawory.

Przedmiotem wynalazku jest głowica tłokowego silnika spalinowego z zespołem kulistych zaworów obrotowych, zwłaszcza silników spalinowych zawierających tłok i cylinder.

Głowica charakteryzuje się tym, że stanowi odejmowalną, dwuczęściową głowicę cylindra, zamocowaną do silnika spalinowego, przy czym ta dwuczęściowa wyjmowalna głowica cylindra zawiera górną i dolną część głowicy cylindra, zaś ta górna i dolna część głowicy cylindra, dla każdego cylindra tego silnika, ma po dwie wnęki usytuowane poprzecznie względem każdego z cylindrów. Wnęki te obejmują wnęki dolne mieszczące obrotowe zawory kuliste i wnęki górne mieszczące obrotowe zawory kuliste, przy czym dolna część głowicy cylindra w obrębie każdej wnęki dolnej ma otwór wlotowy połączony z cylindrem, a górna część głowicy cylindra w obrębie każdej wnęki górnej ma otwór wylotowy połączony z cyHi^drem. W otworze wlotowym i wylotowym umieszczone jest uszczelnienie. Ponadto głowica posiada pierwszy kanał wprowadzający mieszankę palną do głowicy cylindra poprzez komory wlotowe umieszczone z obu stron każdej wnęki mieszczącej obrotowy zawór ssący oraz drugi kanał odprowadzający gazy wydechowe z cylindra poprzez komory wylotowe· umieszczone z obu stron każdej wnęki mieszczącej obrotowy zawór wydechowy. Poza tym w głowicy silnika znajduje się pierwszy wał zamocowany na powierzchniach nośnych wewnątrz pierwszej wnęki, ustawionej poprzecznie względem cylindrów silnika spalinowego, przy czym na tym pierwszym wale zamocowane są obrotowe zawory ssące i drugi wał zamocowany na powierzchniach nośnych, wewnątrz drugiej poprzecznie usytuowanej wnęki, na którym to drugim wale zamontowane są obrotowe zawory wydechowe. Obrotowy zawór ssący i obrotowy zawór wydechowy stanowią wycinek kuli, utworzony przez dwie równoległe płaszczyzny kuli, przy czym te płaszczyzny są umieszczone symetrycznie względem środka tej kuli, tworząc kuliste ścianki i płaskie ściany boczne. Obrotowy zawór ssący posiada otwór na kulistej ściance, przy czym otwór ten jest połączony z toroidalnymi wnękami znajdującymi się

173 946 w obydwu ścianach bocznych obrotowych zaworów ssących, zaś toroidalne wnęki są połączone z komorami wlotowymi znajdującymi się w górnej i dolnej części głowicy cylindra, zaś te komory wlotowe są połączone z pierwszym kanałem wprowadzania mieszanki palnej do cylindra z obydwu stron obrotowego zaworu ssącego. Obrotowy zawór wydechowy posiada otwór umieszczony na kulistej ściance, przy czym obrotowy zawór wydechowy posiada toroidalne wnęki znajdujące się w płaskich ścianach bocznych, połączone z otworem umieszczonym na kulistej ściance, zaś toroidalne wnęki są połączone z komorami wylotowymi umieszczonymi w górnej i dolnej części głowicy cylindra.

Korzystnie, umieszczenie stanowi pierścień o powierzchni przekroju zasadniczo kołowej, który posiada pierścieniowy rowek, przy czym pierścień ten zamocowany jest w głowicy cylindra wokół otworu wlotowego i wokół otworu wylotowego, który to pierścień ma otwór przelotowy odpowiadający średnicy otworu wlotowego lub otworu wylotowego, a pierścień uszczelniający usytuowany jest wewnątrz pierścieniowego rowka, przy czym pierścień uszczelniający ma zakrzywioną górną powierzchnię dopasowaną kształtem do kulistej ścianki kulistego zaworu ssącego, czy też kulistego zaworu wydechowego. Pierścień uszczelniający posiada przelotowy otwór o średnicy odpowiadającej średnicy otworu wlotowego, oraz otworu wylotowego. Poza tym w pierścieniowym rowku, poniżej pierścienia uszczelniającego umieszczony jest element sprężysty, a ponadto wokół pierścienia uszczelniającego umieszczony jest element uszczelniający, kontaktujący się z zewnętrzną ścianką pierścieniowego rowka, oraz kanał łączący otwór wlotowy oraz otwór wylotowy z elementem uszczelniającym zamocowany do pierścienia uszczelniającego.

Zakrzywiona powierzchnia pierścienia uszczelniającego, dopełniająca względem obwodowej powierzchni obrotowego zaworu ssącego, i obrotowego zaworu wydechowego, jest powierzchnią umieszczonej pierścieniowo wewnątrz wkładki, pierścienia smarującego, wykonanej z włókna węglowego.

Element uszczelniający na pierścieniu uszczelniającym zawiera kilka elementów uszczelniających, umieszczonych luźno wokół pierścienia uszczelniającego, a element sprężysty umieszczony w pierścieniowym rowku poniżej pierścienia uszczelniającego zawiera kilka sprężyn.

Obrotowy zawór ssący posiada otwór mieszczący wał, przy czym korpus zaworu ma toroidalną wnękę w każdej ze ścian bocznych, umieszczoną wokół otworu mieszczącego wał, przy czym toroidalne wnęki są podzielone ścianą, posiadającą kanał przechodzący pomiędzy tymi wnękami, zaś kanał ten w ścianie jest umieszczony w sąsiedztwie otworu w kulistej ściance.

Obrotowy zawór wydechowy zawiera otwór mieszczący wał, usytuowany centralnie, przy czym korpus zaworu ma toroidalne wnęki w każdej ścianie bocznej umieszczonej wokół otworu, zaś toroidalne wnęki są oddzielone ścianą przegrodową, która to ściana przegrodowa posiada przechodzący przez nią kanał. Kanał ten w ścianie przegrodowej jest umieszczony w sąsiedztwie otworu w kulistej ściance obwodowej.

Toroidalne wnęki w każdej ścianie bocznej mają korek usytuowany promieniowo od otworu mieszczącego wał do kulistej ścianki, korek jest umieszczony w sąsiedztwie kanału w ścianie przegrodowej, przy czym korek ten usytuowany w toroidalnych wnękach jest stopniowo nachylony w górę względem ściany przegrodowej.

Rozwiązarde według wynalazku umożliwia doprowadzanie do zaworu ssącego mieszanki palnej z obydwu stron obrotowego zaworu ssącego, dla polepszenia warunków odprowadzania gazów wydechowych z cylindra silnika i załadowywania cylindra mieszanką palną, a ponadto umożliwia odprowadzanie gazów przez obrotowy zawór wydechowy z obydwu stron zaworu dla polepszenia odprowadzania spalin i równocześnie dla zmniejszenia temperatury roboczej obrotowego zaworu wydechowego i dodatkowego zmniejszenia szkodliwych emisji.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok z boku ssącego, kulistego zaworu obrotowego,

173 946 fig. 2 - widok z tyłu ssącego, kulistego zaworu obrotowego, fig. 3 - perspektywiczny widok ssącego, kulistego zaworu obrotowego, fig. 4 - widok z boku wydechowego, kulistego zaworu obrotowego, fig. 5 - widok z tyłu wydechowego kulistego zaworu obrotowego, fig. 6 - widok perspektywiczny wydechowego, kulistego zaworu obrotowego, fig. 7 - widok z góry zespołu podzielonej głowicy czterech cylindrów, ilustrujący sposób, w jaki ssące, kuliste zawory obrotowe są zasilane mieszanką palną oraz sposób, w jaki przez wydechowe kuliste zawory obrotowe są odprowadzane gazy wydechowe, fig. 8 - widok z boku w przekroju głowicy cylindra, przedstawiający wzajemnie uzależnienie kulistego zaworu ssącego i wydechowego, fig. 9 - perspektywiczny widok zespołu głowicy cylindra, przedstawiający uzależnienie kulistego zaworu ssącego i wydechowego, fig. lOa - lOd - widok z boku wydechowego zaworu obrotowego, ilustrujący kolejno sposób, w jaki z cylindra są odprowadzane gazy wydechowe, fig. lla - widok z góry pierścienia uszczelniającego, fig. llb - przekrój tego pierścienia, fig. lic - przekrój wzdłużny uszczelnienia, a fig. 12 - widok perspektywiczny w rozłożeniu na części elementów uszczelniających.

Jak przedstawiono na fig. 1, 2 i 3, stanowiących widok odpowiednio z boku, z tyłu i widok perspektywiczny obrotowego ssącego zaworu kulistego, ssący obrotowy kulisty zawór 10 stanowi wycinek kulisty utworzony przez dwie równoległe pierścieniowe ściany boczne 14 i 16, tworząc w ten sposób kulistą obwodową ścianę 12. Ściany boczne 14 i 16 mają odpowiednio wystające do wewnątrz okrągłe toroidalne wnęki 18 i 20. Okrągłe toroidalne wnęki 18 i 20 są oddzielone wewnątrz ssącego zaworu kulistego 10 za pomocą przegrodowej ścianki 22, umieszczonej wewnątrz ssącego zaworu kulistego 10 w równej odległości od pierścieniowych ścian bocznych 14 i 16.

Ścianka przegrodowa 22 ma przechodzący przez nią środkowy element 24 mocujący wałek, którego długość jest równa szerokości kulistej ściany 12. Środkowy element 24 mocujący wałek posiada osiowy otwór przelotowy 26. Środkowy element 24 mocujący wałek i osiowy otwór przelotowy 26 stanowią elementy służące do obrotowego osadzenia ssącego zaworu kulistego 10 na umieszczonym środkowo wale 28, w celu wprowadzania mieszanki palnej do cylindra pojazdu, jak będzie opisane poniżej. Kulista, obwodowa ścianka 12 ma umieszczony na swej powierzchni otwór 30 służący do połączenia z okrągłymi toroidalnie ukształtowanymi wnękami 18 i 20. Ścianka przegrodowa 22 posiada przechodzący przez nią kanał dla połączenia pomiędzy okrągłymi toroidalnymi wnękami 18 i 20. Ten kanał 32 jest umieszczony w ściance przegrodowej 22 w sąsiedztwie otworu 30 w kulistej, obwodowej ścianie 12.

W tej konfiguracji, obie kołowe, toroidalne wnęki 18 i 20 będą połączone ze źródłem mieszanki palnej lub powietrza z przewodu wlotowego, dla wprowadzania ich do silnika spalinowego. Tak więc do ssącego kulistego zaworu 10 może być doprowadzana mieszanka palna lub powietrze z obydwu stron zaworu.

Otwór 30 w kulistej ścianie 12 jest połączony z otworem wlotowym cylindra silnika spalinowego w wyniku obrotu ssącego zaworu kulistego 10 na wale 28. Wlotowy otwór umożliwia przechodzenie mieszanki palnej lub powietrza, w przypadku silników z wtryskiem paliwa, z okrągłych toroidalnych wnęk 18 i 20 przez otwór 30 do cylindra.

Dalszy obrót ssącego zaworu kulistego 10 odsunie wlotowy otwór 30 od wlotu do cylindra, przy czym kulista obwodowa ścianka 12 ssącego zaworu kulistego 10 wytworzy uszczelnienie z wlotem do cylindra, przerywając w ten sposób przepływ mieszanki palnej do cylindra. Mieszanka palna lub powietrze przepływa z przewodu wlotowego do kołowych, toroidalnych wnęk 18 i 20, ssącego kulistego zaworu 10 i dalej do cylindra przy następnym obrocie ssącego zaworu kulistego 10, gdy wlotowy otwór 30 ponownie stanie się dopełniający względem wlotu do komory.

Na fig. 4, 5 i 6 przedstawiono odpowiednio widok z boku, widok z tyłu i widok perspektywiczny wydechowego zaworu kulistego. Wydechowy zawór kulisty 40 stanowi wycinek kulisty ograniczony przez dwie równoległe pierścieniowe ściany boczne 44 i 46, tworząc w ten sposób kulistą obwodową ścianę 42. Ściany boczne 44 i odpowiednio 46

173 946 mają wewnętrzne wnęki 48 i 50. Wnęki 48 i 50 są oddzielone wewnątrz wydechowego zaworu kulistego 40 przegrodową ścianą 52, umieszczoną wewnątrz wydechowego zaworu kulistego 40.

Ściana przegrodowa 52 ma umieszczony środkowo, przechodzący przez nią element 54 mocujący wał, którego długość jest równa szerokości kulistej ściany 42. Element 54 mocujący środkowy wał posiada osiowy otwór przelotowy 56. Element 54 mocujący wał środkowy i osiowy otwór przelotowy 56 stanowią elementy mocujące obrotowo, wydechowy zawór kulisty 40 na umieszczonym środkowo wale 28, co umożliwia odprowadzenie spalin z cyllndra silnika, jak to będzie opisane poniżej.

Kulista obwodowa ściana 42 ma na powierzchni otwór 60 łączący z wnękami 48 i 50. Ściana przegrodowa 52 ma przechodzący przez nią kanał łączący wnęki 48 i 50. Kanał 62 jest umieszczony w ściance przegrodowej 52 w sąsiedztwie otworu 60 kulistej obwodowej ściany 42.

W tej konfiguracji, obydwie wnęki 48 i 50 są połączone z przewodem wydechowym służącym do odprowadzania spalin z cylindra silnika spalinowego.

W ten sposób wydechowy zawór kulisty 40 może odprowadzać spaliny z cylindra.

Otwór 60 i kulista ściana 42 podczas pracy łączą się z otworem wylotowym cylindra silnika spalinowego w wyniku obrotu wydechowego zaworu kulistego 40 na wale 28. Otwór wydechowy będzie umożliwiał przechodzenie spalin z cyllndra poprzez otwór 60 i wnęki 48 i 50 do przewodu wydechowego.

Dalszy obrót wydechowego zaworu kulistego 40 spowoduje odsunięcie otworu 60 od wylotu cyllndra, a kulista obwodowa ścianka 42 wydechowego zaworu kulistego 40 wytworzy uszczelnienie z wylotem z cyllndra przerywając tym samym odprowadzenie spalin z cyllndra. Gdy wydechowy kulisty zawór wydechowy 40 jest zamknięty lub w stanie przerwy, wówczas w cylindrze następuje suw ssania i sprężania, a dalszy obrót wydechowego zaworu kulistego 40 spowoduje przeniesienie otworu 60 do położenia kontaktu z otworem wylotowym 109 cyllndra tak, aby umożliwić odprowadzenie spalin z cyllndra podczas suwu wydechu, poprzez otwór wylotowy 109 cylindra, otwór 60 i stąd wzdłuż wnęk 48 i 50 do przewodu wydechowego.

W rozwiązaniu zalecanym, wnęki 48 i 50 mają rozmaitą głębokość, licząc od pierścieniowych ścian bocznych 44 i 46 do ściany przegrodowej 52 dla wzmożenia odprowadzania gazów wydechowych. Ściana przegrodowa 52 tworzy maksymalną głębokość wnęk 48 i 50 bezpośrednio w sąsiedztwie krawędzi otworu 60, który obraca się do początkowego ułożenia w jednej linii z otworem wylotowym 109 z cyllndra. Głębokość wnęk 48 i 50 będzie malała tak, że we wnękach wylotowych 48 i 50 będzie utworzony korek 49 w sąsiedztwie przeciwległej krawędzi otworu 60. Ta przeciwległa krawędź otworu 60 stanowi tę część, która ostatnia jest połączona z otworem wylotowym cylindra podczas obrotu. Nachylenie wewnątrz wnęk 48 i 50 następuje zgodnie z linią śrubową lub ostro w górę w sąsiedztwie korka 49.

Celem takiej konstrukcji jest uzyskanie efektu naporu dla wzmożenia gwałtownego odprowadzania gazów wydechowych do przewodu. Należy uwzględnić to, że zawór wydechowy będzie również pracował przy wnękach 48 i 50 mających stałą głębokość. Korek 49 stanowi rozwiązanie zalecane i służy do wywarcia dodatkowego naporu na gazy wydechowe.

Celem zastosowania kulistego zaworu obrotowego, ssącego i wydechowego jest wyeliminowanie potrzeby stosowania zaworów na popychaczach i towarzyszącego im oprzyrządowania oraz wprowadzenie elementu powodującego załadowanie cylindra podczas suwu ssania i usunięcie gazów wydechowych z cyllndra podczas suwu wydechu. Jak będzie przedstawione poniżej w odniesieniu do fig. 7, ssący zawór kulisty 10, a w szczególności wnęki 18 i 20 są w ciągłym połączeniu z dochodzącą mieszanką palną z otworu wlotowego 114 z gaźnika, a mieszanka palna we wnękach 18 i 20 jest wprowadzana do cylindra, gdy wlotowy otwór 30 wchodzi we współosiowe ustawienie z otworem wlotowym 108 w dolnej połówce głowicy cylindra jak opisano poniżej.

173 946

Gdy otwór wlotowy 30 nie znajduje się w jednej linii z otworem wlotowym 108 cylindra, wówczas lukowe obwodowe obrzeże ściany obwodowej 12 służy jako uszczelnienie wlotowego otworu 108 cylindra. W stosunku do suwu wydechu cylindra, łukowe obwodowe obrzeże ściany 42 wydechowego zaworu kulistego 40 utrzymuje szczelność otworu wylotowego 109 cylindra dopóki otwór 60 na łukowym, obwodowym obrzeżu wydechowego zaworu kulistego 40 nie wejdzie w obrotowe położenie w jednej linii z otworem wydechowym cylindra umieszczonego w dolnej połowie głowicy cylindra. Suw wydechu tłoka powoduje następnie odprowadzenie gazów poprzez otwór 60 do wnęk 48 i 50 wydechowego zaworu kulistego 40 i stąd do przewodu wyd echowego 120. Należy uwzględnić, że usytuowanie otworu wlotowego 30 na ssącym kulistym zaworze 10 i otworu wydechowego 60 na wydechowym zaworze kulistym 40 uwzględnia suwy sprężania i wydechu tłoka w obrębie cylindra i wymagania rozrządu silnika.

Na fig. 8 jest pokazany widok z boku w przekroju cylindra i głowicy cyl^nc^lra z tłokiem w połączeniu z ssącym zaworem kulistym 10. Cyhnder i tłok oraz blok są podobne do konwencjonalnego silnika spalinowego. Pokazano tutaj blok silnika 100, wyposażony w cylinder 102, zaś wewnątrz cyllndra 102 znajduje się tłok 104, o ruchu posuwisto-zwrotnym, który jest zamocowany do wału korbowego 103 i który porusza się posuwisto-zwrotnie wewnątrz cyl^^ntdra 102. Cylinder jest otoczony licznymi zamkniętymi kanałami 106, tak zaprojektowanymi, aby umożliwić przechodzenie przez nie płynu chłodzącego dla utrzymania temperatury silnika. Jak wiadomo fachowcom z tej dziedziny, gdy z silnika spalinowego zostanie zdjęta głowica, wówczas zostaje odkryty cylmder i zamknięty w nim tłok. Głowica silnika stanowi głowicę dzieloną, zbudowaną z dolnej sekcji 110, która jest przymocowana do bloku silnika 100 i zawiera otwór wlotowy 108 cylindra 102. Otwór wlotowy 108 jest umieszczony w półkulistej wnęce 107 zawierającej zawór, utworzonej przez wewnętrzny odcinek dwóch powierzchni o kształcie dopasowanym do kształtu ssącego zaworu kulistego 10. Górna połowa 112 zespołu dzielonej głowicy również zawiera półkulistą wnękę 113 zawierającą zawór, utworzoną przez wewnętrzny odcinek dwóch równoległych płaszczyzn, służących do osadzenia górnej połowy ssącego zaworu kulistego 10. Gdy górna połowa 112 i dolna połowa 110 głowicy są przymocowane do bloku silnika za pomocą standardowych śrub z łbami, wówczas ssący zawór kulisty 10 jest usytuowany obrotowo wewnątrz wnęki, utworzonej przez dwie połówki zespołu dzielonej głowicy.

W górnej i dolnej części dzielonej głowicy 112 i 110 utworzona jest wnęka odpowiadająca ścianom bocznym 14 i 16 a tym samym wnękom 18 i 20 w ssącym zaworze kulistym 10. Te wnęki są połączone z przewodem wlotowym i otworem wlotowym 114 dla umożliwienia przepływu mieszanki palnej do wnęk 18 i 20 ssącego zaworu kulistego 10. W ten sposób ssący zawór kulisty 10 znajduje się w stałym połączeniu ze źródłem mieszanki palnej, podawanej do wnęk 18 i 20 tak, że gdy wlotowy otwór 30 na obrzeżu 12 obwodowej ściany ssącego zaworu kulistego 10 ustawia się w jednej linii z otworem wlotowym do cylindra, wówczas mieszanka palna jest wprowadzana do cylindra. Układ tej jest przedstawiony na fig. 7.

Wokół otworu wlotowego 108 do cylmdra 102 jest umieszczone uszczelnienie 116 służące do skutecznego uszczelniania podczas obrotowego przemieszczania ssącego zaworu kulistego 10. Uszczelnienie 116 skutecznie uszczelnia obwodową ścianę 12 ssącego zaworu kulistego 10.

W tej konfiguracji, wnęki 18 i 20 na ssącym kulistym zaworze 10 są w sposób ciągły wypełniane mieszanką palną poprzez otwór wlotowy 114. Ta mieszanka palna nie jest wprowadzana do cylmdra 102, dopóki otwór wlotowy 30 nie zostanie ustawiony w jednej linii z otworem wlotowym 108 do cylindra 102. Uszczelnienie 116 współpracuje z łukową obwodową ścianką 12 ssącego zaworu kulistego 10 dla utworzenia skutecznego, gazoszczelnego uszczelnienia i zabezpieczenia przepływu mieszanki palnej z wnęk 18 i 20 poprzez otwór wlotowy 108 do cylindra 102. Podczas normalnej pracy, to wprowadzanie występuje przy ruchu tłoka 104 ku dołowi podczas suwu ssania, powodując

173 946 tym samym załadowanie cylindra mieszanką palną. Gdy tylko otwór wlotowy 30 zostanie zamknięty tak, że nie będzie już znajdował się w jednej linii z otworem wlotowym 108 do cylindra, wówczas łukowata, kulista obwodowa ścianka 12 ssącego zaworu kulistego 10 będzie uszczelniała otwór wlotowy 108, w którym umieszczone jest uszczelnienie 116 dla przygotowania suwu sprężania tłoka 104 i zapłonu mieszanki palnej. Obrót ssącego zaworu kulistego 10 jest dokonywany za pomocą wału 28, na którym ssący zawór kulisty 10 jest zamontowany. Wał 28 w połączeniu z łańcuchem rozrządu lub innym podobnym urządzeniem oraz wał korbowy, do którego są zamontowane tłoki 104 zapewnia odpowiedni rozrząd czasowy otwierania i zamykania otworu wlotowego 108 za pomocą ustawienia w jednej linii z otworem wlotowym 30 ssącego zaworu kulistego 10.

Wydechowy zawór kulisty 40 jest umieszczony wewnątrz tego samego bloku silnikowego 100, mającego cylinder 102, wewnątrz którego znajduje się posuwisto-zwrotny tłok 104. Do bloku silnikowego 100 przymocowana jest dolna i górna połowa głowicy 110 i 112. Wydechowy zawór kulisty 40 jest umieszczony obrotowo wewnątrz dolnej połowy i górnej połowy 110 i 112 zespołu dzielonej głowicy we wnęce 107 i 113. Wydechowy kulisty zawór 40 jest połączony z wylotowym otworem 109 cylindra 102.

Podczas wydechu, tłok 104 zakończył swój suw sprężania, podowując tym samym sprężenie i zapalenie mieszanki palnej wewnątrz cylindra. Ten suw kończy się przy łukowatej obwodowej ściance ssącego zaworu kulistego 10 i wydechowego zaworu 40 tworzącego pożądane uszczelnienie odpowiedniego otworu wlotowego 108 i otworu wylotowego 109. Zapalenie mieszanki palnej służy do napędzania tłoka 104 w dół, wewnątrz cylindra 102 i stąd tłok 104 rozpoczyna wznoszenie w suwie wydechu. Wydechowy zawór kulisty 40 obracający się na wale 28 i w połączeniu z rozrządem i z wałem korbowym obraca się, przenosząc otwór 60 na kulistej ściance wydechowego zaworu kulistego 40 do połączenia z otworem wylotowym 109. W tej konfiguracji tworzy się kanał poprzez wydechowy zawór kulisty 40 z otworu wydechowego 109 przy szczycie cylindrycznej głowicy, a spaliny są odprowadzane z cylindra poprzez otwór wydechowy 109, otwór 60 i do wnęk 48 i 50. Stąd prowadzi przewód wydechowy 120 poprzez komory 121,123 usytuowane po przeciwnych stronach obrotowego wydechowego zaworu kulistego 40, który ma wylot do przewodu wydechowego i do otaczającej atmosfery (fig. 7). Początkowe otwarcie obrotowego wydechowego zaworu kulistego 40 powoduje wprowadzenie spalin do wnęk 48 i 50 w miejscu, w którym ich głębokość jest największa. Jak wyjaśniono powyżej, wnęki 48 i 50 mają stopniowo malejącą głębokość, jeżeli korek 49 tworzy uszczelnienie. Konstrukcja ta powoduje przyspieszenie gazów wydechowych poprzez wydechowy zawór kulistego 40 dla wzmożenia odprowadzania ich z cylindra 102. Po zakończeniu odprowadzania gazów wydechowych z cylmdra 102, obwodowa ściana 42 obrotowego wydechowego zaworu kulistego 40 ponownie kontaktuje się z uszczelnieniem 116, podobnym do elementu uszczelniającego ssącego kulistego zaworu 10 dla utworzenia uszczelnienia względem otworu wylotowego 109, dopóki nie nastąpi następny suw wydechu tłoka 104 wewnątrz cylmdra 102.

Na fig. 9 przedstawiono perspektywiczny widok ssącego kulistego zaworu 10 i wydechowego zaworu kulistego 40, stanowiących parę i umieszczonych wewnątrz dolnej sekcji 110 zespołu dzielonej głowicy w odniesieniu do pojedynczego cylindra, tworzących zespół kulistych zaworów obrotowych. Podobnie można łatwo stwierdzić, że jeżeli będzie zastosowany silnik typu V-6 lub V-8 lub V-12 lub tym podobny, wówczas każdy blok cylindrów będzie posiadał przyłączony podobnie umieszczony zespół kulistych zaworów obrotowych. W innym wykonaniu wynalazku ssące zawory kuliste 10 i wydechowe zawory kuliste 40 umieszczone są na jednym wałku, jeżeli rozmiar silnika jest tego rodzaju, że można realizować podwójne doprowadzanie mieszanki palnej do zaworu ssącego i podwójne odprowadzanie gazów z zaworu wydechowego bez ujemnego wpływu na integralność strukturalną silnika.

173 946

Wał 28 i obrotowe zawory kuliste 10 i 40 są podparte w zespole głowicy dzielonej, za pomocą licznych powierzchni nośnych 130. Obrotowe zawory kuliste 10 i 40 są obrobione poprzez skrawanie tak jak wnęki 107 i 113, przy czym tolerancje wymiarowe wynoszą około 0,025 mm. Gdy wewnątrz dzielonej głowicy jest umieszczony wał 28 i kUliste zawory, wówczas wał 28 kontaktuje się z powierzchniami nośnymi 130, a obrotowe zawory kuliste 10 i 40 są odpowiednio w -kontakcie tylko z elementem uszczelniającym 116, którego rozwiązanie będzie opisane poniżej.

Na fig. 10a, b, c i d przedstawiono sposób, w jaki są odprowadzane gazy wydechowe z cylindra poprzez obrotowy zawór wydechowy. Na fig. 10 przedstawiono sposób, w jaki powietrze wychodzi z cylindra 102 poprzez wydechowy otwór wylotowy 109 i poprzez otwór 60 kulistej ścianki wydechowego zaworu kubstego 40, wchodząc do wnęk 48 i 50 obrotowego wydechowego zaworu kulistego 40. Spaliny wychodzą następnie z wnęk 48 i 50 poprzez odpowiednie komory wydechowe 121 i 123 (fig. 7). Gazy wydechowe mają nadany końcowy pęd za pomocą korka 49 bezpośrednio przed wydechem zaczynającym się na nowo wraz z ustawieniem w jednej linii otworu 60 z otworem wylotowym 109.

Na fig. 11 przedstawiono widok z boku, w rozłożeniu na części, ilustrujący uszczelnienie 116 a na fig. 12 pokazano perspektywiczny widok w rozłożeniu na części uszczelnienia 116. Opis uszczelnienia 116 dotyczy obrotowego zaworu ssącego 10, jednakże uszczelnienie 116 mające tę samą budowę i służące do tego samego celu zastosowane jest również w obrotowym wydechowym zaworze kulistym 40.

Uszczelnienie 116 jest zbudowane z dwóch członów głównych. Dolny pierścień 140 jest utrzymywany wewnątrz pierścieniowego rowka 130 w dolnej połowie zespołu dzielonej głowicy i umieszczony obwodowo wokół otworu wlotowego 108. Wewnętrzna obwodowa ściana 144 i zewnętrzna obwodowa ściana 142 są przymocowane poprzez płaską obwodową podstawę 148, tworząc tym samym pierścieniowy rowek 150 dla pierścienia uszczelniającego 152. Pierścień 152 posiada umieszczony środkowo otwór 154, ustawiony w jednej linii z otworem 146 i dolnym pierścieniem 140. Zewnętrzna ściana 153 pierścienia uszczelniającego 152 jest stopniowana wewnętrznie od górnej powierzchni 156 do dolnej powierzchni 158 dla utworzenia pierścieniowego rowka 160 przeznaczonego dla elementu uszczelniającego 162. Pierścień uszczelniający 152 jest dopasowany wewnątrz pierścieniowego rowka 150 w pierścieniu 140 mieszczącym górne uszczelnienie zaworowe.

Górna powierzchnia 156 pierścienia 152 jest zakrzywiona wewnętrznie w kierunku środka otworu 154, przy czym górna powierzchnia posiada pierścieniowy występ 164 mieszczący pierścień węglowej wkładki pierścienia smarującego 166. Węglowa wkładka pierścienia smarującego 166 sięga powyżej górnej powierzchni 156 pierścienia uszczelniającego 152 i kontaktuje się z kulistą obwodową powierzchnią obrotowego zaworu ssącego 10. Krzywizna górnej powierzchni 156 jest tego rodzaju, że jest dopasowana do obwodowej krzywizny obrotowego ssącego zaworu kulistego 10, przy czym węglowa wkładka pierścienia smarującego 166 znajduje się w bliskim kontakcie z obwodową powierzchnią obrotowego ssącego zaworu kulistego 10.

Kontakt pomiędzy węglową wkładką pierścienia smarującego 166 a obwodową powierzchnią obrotowego zaworu ssącego 10 jest utrzymywany poprzez pierścieniowe, zukosowane sprężyny 170, umieszczone w pierścieniowym rowku 150 poniżej pierścienia uszczelniającego 152. Ciśnienie utrzymywane ponad górnym pierścieniem uszczelniającym 152 wywierane jest poprzez pojedynczą zukosowaną sprężynę umieszczoną w pierścieniu rowku 150 lub poprzez wiele pierścieniowych, zukosowanych sprężyn.

Górny pierścień uszczelniający 152 ma umieszczony wokół pierścieniowy rowek 160 a element uszczelniający 162 oddziaływuje podobnie do pierścienia połączonego z tłokiem. Element uszczelniający 162 służy do zapewnienia dodatkowego kontaktu uszczelniającego pomiędzy uszczelnieniem 116 i obwodową powierzchnią obrotowego zaworu ssącego 10 i obrotowego zaworu wydechowego 40 podczas suwów sprężania

173 946 i suwu spalania i rozprężania. Zwiększone ciśnienie gazu wewnątrz cylindra i wewnątrz pierścieniowego rowka 150 powoduje zwiększenie ciśnienia poniżej elementu uszczelniającego 162, tworzącego uszczelnienie z zewnętrzną obwodową ścianą 142, zapobiegając ucieczce gazów i wytwarzając skierowaną ku górze silę na górny pierścień uszczelniający 152, wymuszając tym samym lepsze uszczelnienie pomiędzy węglową wkładką pierścienia 166 i obwodową powierzchnią obrotowego ssącego zaworu kulistego 10. To samo współdziałanie występuje w przypadku uszczelki zaworowej obrotowego wydechowego zaworu kulistego 40. Podczas suwu ssania i wydechu, węglowa wkładka pierścienia 164 jest utrzymywana w kontakcie z obrotowym zaworem wydechowym za pomocą zukosowanych sprężyn, umieszczonych w pierścieniowym rowku 150.

Skierowane w górę ciśnienie podczas suwu sprężania lub suwu rozpężania jest przekazywane do górnego pierścienia uszczelniającego 152 poprzez otwór wlotowy 108 za pomocą kanału 163 istniejącego pomiędzy górnym pierścieniem uszczelniającym 152 i dolnym pierścieniem 140, tak że gazy mogą rozprężać się wchodząc do pierścieniowego rowka 150 poniżej górnego pierścienia uszczelniającego 152, jednakże są zabezpieczane przed ucieczką za pomocą elementu uszczelniającego 162 kontaktującego się z zewnętrzną obwodową ścianą 42 dolnego pierścienia 140. Powoduje to powstanie dodatkowego ciśnienia, które wraz ze zukosowaną sprężyną 170 wywołuje kontakt pomiędzy węglową wkładką pierścienia 166 i obwodową powierzchnią zaworu.

Konfiguracja uszczelnienia 116 służy do wytworzenia ścisłego uszczelnienia z obrotowym zaworem ssącym i wydechowym, i w rzeczywistości stanowi jedyny kontakt z ssącym zaworem obrotowym lub zaworem wydechowym podczas trwania jego obrotu wewnątrz wnęk. Powoduje to znaczną redukcję ilości części mechanicznych wewnątrz silnika i tym samym redukuje tarcie występujące podczas pracy silnika.

Jakkolwiek wynalazek obecny opisano na podstawie przykładowych rozwiązań, to jednak dla fachowców z tej dziedziny oczywiste są rozmaite modyfikacje, odmiany i adaptacje wynalazku. Tak więc zakres wynalazku jest ograniczony jedynie poprzez załączone zastrzeżenia patentowe.

173 946

FIG. 7

123 '40

173 946

Π3946

FIG- 9

I

173 946

FIG. 10α

49.

109

FIG. lOb ¹²⁰	Ols
-
2//////////7/,

FIG.lOc

Ί09

109

173 946

160

162

116

Z

-162

170

173 946

142

173 946

FIG. 3

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 4,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Głowica tłokowego silnika spalinowego z zespołem kulistych zaworów obrotowych, zwłaszcza silników spalinowych zawierających tłok i cylinder, znamienna tym, że stanowi odejmowalną, dwuczęściową głowicę cylindra, zamocowaną do silnika spalinowego, przy czym ta dwuczęściowa wyjmowalna głowica cylindra zawiera górną (112) i dolną (110) część głowicy cylindra, zaś ta górna (112) i dolna (110) część głowicy cylindra, dla każdego cyllndra tego silnika, ma po dwie wnęki usytuowane poprzecznie względem każdego z cylindrów, które to wnęki obejmują wnęki dolne (107) mieszczące obrotowe zawory kuliste (10, 40), i wnęki górne (113) mieszczące obrotowe zawory kuliste (10, 40), przy czym dolna (11) część głowicy cylindra w obrębie każdej wnęki (107) ma otwór wlotowy (108) połączony z cylindrem, a górna (112) część głowicy cylindra w obrębie każdej wnęki (113) ma otwór wylotowy (109) połączony z cylindrem, zaś w otworze wlotowym (108) i otworze wylotowym (109) umieszczone jest uszczelnienie (116), a ponadto głowica posiada pierwszy kanał (114) wprowadzający mieszankę palną do głowicy cyllndra poprzez komory wlotowe (115, 117) umieszczone z obu stron każdej wnęki mieszczącej obrotowy zawór ssący (10), a ponadto drugi kanał (120) odprowadzający gazy wydechowe z cyllndra poprzez komory (121, 123) umieszczone z obu stron każdej wnęki mieszczącej obrotowy zawór wydechowy (40), oraz pierwszy wał (28) zamocowany na powierzchniach nośnych wewnątrz pierwszej wnęki, ustawionej poprzecznie względem cylmdrów silnika spalinowego, przy czym na tym pierwszym wale (28) zamocowany jest ssący obrotowy zawór kulisty (10), i drugi wał zamocowany na powierzchniach nośnych, wewnątrz drugiej poprzecznie usytuowanej wnęki, na którym to drugim wale zamontowane są wydechowe obrotowe zawory kuliste (40), przy czym ssący obrotowy zawór kulisty (10) i wydechowy obrotowy zawór kulisty (40) stanowią wycinek kuli, utworzony przez dwie równoległe płaszczyzny kuli (14, 16, 44, 46), przy czym te płaszczyzny są umieszczone symetrycznie względem środka tej kuli, tworząc kuliste ścianki (12, 42) i płaskie ściany boczne, zaś ssący obrotowy zawór kulisty (10) posiada otwór (30) na kulistej ściance, przy czym otwór ten jest połączony z toroidalnymi wnękami (18, 20) znajdującymi się w obydwu ścianach bocznych obrotowych zaworów ssących, zaś toroidalne wnęki (18, 20) są połączone z komorami wlotowymi (115, 117) znajdującymi się w górnej (112) i dolnej (110) części głowicy cylindra, zaś te komory wlotowe są połączone z pierwszym kanałem (114) wprowadzania mieszanki palnej do cylindra z obydwu stron ssącego obrotowego zaworu kulistego (10), zaś wydechowy obrotowy zawór kulisty (40) posiada otwór (60) umieszczony na kulistej ściance, który to wydechowy obrotowy zawór kulisty (40) posiada toroidalne wnęki (48, 50) znajdujące się w płaskich ścianach bocznych (44, 46), połączone z otworem (60) zaś toroidalne wnęki (48, 50) są połączone z komorami wylotowymi (121, 123) umieszczonymi w górnej (112) i dolnej (110) części głowicy cylindra.
2. Głowica według zastrz. 1, znamienna tym, że uszczelnienie (116) stanowi pierścień (140) o powierzchni przekroju zasadniczo kołowej, który posiada utworzony pierścieniowy rowek (150), przy czym pierścień (140) zamocowany jest w głowicy cylindra wokół otworu wlotowego (108) i wokół otworu wylotowego (109), który to pierścień (140) ma otwór przelotowy (146) odpowiadający średnicy otworu wlotowego (108) i otworu wylotowego (109), a pierścień uszczelniający (152) usytuowany jest wewnątrz pierścieniowego rowka (150) pierścienia (140), przy czym pierścień uszczelniający (152) ma zakrzywioną górną powierzchnię (156) dopasowaną kształtem do kulistej ścianki (12, 42) ssącego zaworu kulistego (10) czy też wydechowego zaworu kulistego (40), przy czym pierścień (152) posiada przelotowy otwór (154) o średnicy odpowiadającej

173 946 średnicy otworu (146) pierścienia (140) i otworu wlotowego (108), oraz otworu wylotowego (109), oraz element sprężysty, umieszczony w pierścieniowym rowku (150) pierścienia (140), poniżej pierścienia uszczelniającego (152), a ponadto element uszczelniający (162) umieszczony wokół pierścienia (152), kontaktujący się z zewnętrzną ścianką pierścieniowego rowka (150), oraz kanał (163) łączący otwór wlotowy (108) oraz otwór wylotowy (109) z elementem uszczelniającym (162) zamocowany do pierścienia uszczelniającego (152).
3. Głowica według zastrz. 2, znamienna tym, że zakrzywiona powierzchnia (156) pierścienia uszczelniającego (152) dopełniająca względem obwodowej powierzchni ssącego obrotowego zaworu kulistego (10), i wydechowego obrotowego zaworu kulistego (40) jest powierzchnią umieszczonej pierścieniowo wewnątrz wkładki pierścienia smarującego (164) wykonanej z włókna węglowego.
4. Głowica według zastrz. 2, znamienna tym, że element uszczelniający na pierścieniu (152) zawiera kilka elementów uszczelniających (162), umieszczonych luźno wokół pierścienia uszczelniającego (152).
5. Głowica według zastrz. 2, znamienna tym, że element sprężysty umieszczony w pierścieniowym rowku (150) poniżej pierścienia uszczelniającego zawiera kilka sprężyn (170).
6. Głowica według zastrz. 1, znamienna tym, że ssący obrotowy zawór kulisty (10) posiada otwór (26) mieszczący wał (28), przy czym korpus zaworu ma toroidalną wnękę (18, 20) w każdej ze ścian bocznych (14, 16) wokół otworu mieszczącego wał (28), przy czym toroidalne wnęki (18, 20) są podzielone ścianą (22), posiadającą kanał (32) przechodzący pomiędzy tymi wnękami, (18, 20) zaś kanał (32) w ścianie jest umieszczony w sąsiedztwie otworu w kulistej ściance (12).
7. Głowica według zastrz. 1, znamienna tym, że wydechowy obrotowy zawór kulisty (40) zawiera otwór (56) mieszczący wał, usytuowany centralnie, przy czym korpus zaworu ma toroidalne wnęki (48, 50) w każdej ścianie bocznej umieszczonej wokół otworu (56), zaś toroidalne wnęki (48, 50) są oddzielone ścianą przegrodową (52), która to ściana przegrodowa posiada przechodzący przez nią kanał (62) zaś kanał ten w ścianie przegrodowej jest umieszczony w sąsiedztwie otworu w kulistej ściance obwodowej (42).
8. Głowica według zastrz. 7, znamienna tym, że toroidalne wnęki w każdej ścianie bocznej mają korek (49) usytuowany promieniowo od otworu mieszczącego wał do kulistej ścianki, przy czym korek jest umieszczony w sąsiedztwie kanału w ścianie przegrodowej.
9. Głowica według zastrz. 8, znamienna tym, że korek (49) usytuowany w toroidalnych wnękach jest stopniowo nachylony w górę względem ściany przegrodowej.