PL177464B1

PL177464B1 - Mechanizm korbowo-wodzikowy do przekształcania prostoliniowego ruchu posuwisto-zwrotnego w ruch obrotowy, zwłaszcza do endotermicznych silników tłokowych

Info

Publication number: PL177464B1
Application number: PL95310427A
Authority: PL
Inventors: Livio Biagini
Original assignee: Pomezia Srl
Priority date: 1994-09-13
Filing date: 1995-09-13
Publication date: 1999-11-30
Also published as: EP0702128A1; IT1272806B; ITRM940580A1; ITRM940580A0; HU222393B1; HUT74302A; ES2136268T3; EP0702128B1; CA2157991A1; HU9502675D0; KR960011068A; JP3616168B2; DE69509845T2; TW309578B; PL310427A1; ATE180542T1; AU3064395A; RO115661B1; US5647308A; DE69509845D1

Abstract

1 .Mechanizm korbowo-wodzikowy do prze- ksztalcania prostoliniowego ruchu posuwisto-zwrotnego w ruch obrotowy, zwlaszcza do endotermicznych silni- ków tlokowych, zawierajacy kolo luzno zamontowane na sworzniu tlokowym oraz co najmniej jedna krzywke zamontowana na wale zdawczym, posiadajaca obwodo- wy profil utworzony z co najmniej dwóch odcinków lukowych, przy czym kolo znajduje sie w stalym beztar- ciowym styku z profilem krzywki przy jej obrocie, znamienny tym, ze obrzeze krzywki (1) ma pierwszy glówny segment (B-D) o co najmniej jednej krzywiznie oraz drugi glówny segment (A-E) o co najmniej jednej krzywiznie, przy czym pomiedzy tymi dwoma glównymi segmentami (B-D, A-E) sa usytuowane posrednie seg- menty lukowe pierwszy (D-E) i drugi (A-B) o stalym promieniu (rb, rt r4 , r1) krzywizny, przy czym promien krzywizny (rb , r4 ) pierwszego posredniego segmentu lukowego (D-E) odpowiada odleglosci pomiedzy osia (O) silnika i obrze- zem krzywki (1) wyznaczajacym dolne (wlozenie tloka ( 4), a suma promienia krzywizny (rt , r 1 ) drugiego posredniego segmentu lukowego (A-B) i odleglosci srodka (C 1 ) tej krzywizny od osi (O) silnika odpowiada górnemu polozeniu tloka ( 4). FIG . 3 PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest mechanizm korbowo-wodzikowy do przekształcania prostoliniowego ruchu posuwisto-zwrotnego w ruch obrotowy, zwłaszcza do endotermicznych silników tłokowych.

Bardziej szczegółowo, wynalazek dotyczy mechanizmu korbowo-wodzikowego, który umożliwia udoskonalenie przebiegu cyklu termodynamicznego i wykorzystanie sił uzyskanych w takim cyklu.

177 464

Dobrze wiadomo, że w silniku endotermicznym ruch tłoka jest przekształcany w ruch obrotowy, zwykle poprzez mechanizm korbowo-wodzikowy, po czym korba jest trwale połączona z wałem zdawczym.

Na fig. 1 rysunku przedstawiono silnik spalinowy znany z dotychczasowego stanu techniki, a na fig. 2 cykl termodynamiczny takiego silnika.

Mechanizm korbowo-wodzikowy silnika zawiera korbę o promieniu r, w związku z czym suw tłoka wynosi 2r, korbowód o długości 1. Pomiędzy osią korbowodu i osią cylindra jest kąt β, zaś kąt odchylenia korby względem górnego zwrotnego położenia tłokajest określony jako a.

Wiadomo, że kierunek ruchu tłoka zmienia się dwukrotnie podczas każdego pełnego obrotu korby w odniesieniu do górnego zwrotnego położenia tłoka i dolnego zwrotnego położenia tłoka.

Jak pokazano na fig. 1, moment obrotowy oddziaływujący na wał zdawczy jest funkcją siły działającej wzdłuż osi korbowodu oraz wzdłuż promienia korby wału korbowego. Siła Fb stanowi wypadkową siły Fn wytworzonej w cyklu termodynamicznym i siły F wynikającej z reakcji ścianki cylindra na parcie tłoka, przy czym parcie tłoka zależy od kąta pochylenia β osi korbowodu. Wspomniane parcie określa stratę tarcia. Moment obrotowy jest równy:

Mm “ F-r-(sina + λ/2-sina) yll -λ² sin² a

Pomijając wyrażenie λ sin a, otrzymujemy: Mm = F-r- (sina +λ/2 -sina) to jest: Mm = F·, ,f”, gdzie „f” = r · (sina +V2*sina)

W powyższym wzorze Mm oznacza moment obrotowy, F siłę oddziaływującą na tłok wytworzoną w cyklu termodynamicznym, r promień korby mechanizmu korbowowodzikowego, a jest kątem pomiędzy korbą a osią cylindra, a λ jest stosunkiem r/l.

Siła F odziaływująca na tłok jest uzyskiwana w cyklu termodynamicznym, który orientacyjnie przedstawiono dla znanego czterosuwowego silnika endotermicznego z obiegiem Otto (posiadającego zapłon mieszanki paliwowo powietrznej od sterowanej iskry) pokazanego na fig. 2 w układzie współrzędnych prostokątnych, gdzie odcięta przedstawia przemieszczenie tłoka a rzędna ciśnienie wewnątrz cylindra ponad tłokiem.

Na podstawie fig. 2 można zauważyć, że obieg rzeczywisty przedstawiony linią ciągłą pokrywa obszar mniejszy niż obieg teoretyczny (przedstawiony zakreskowanym polem otoczonym linią przerywaną) z wielu powodów, spośród których jednym z najważniejszych jest to, że spalanie kontrolowane przez iskrę nie występuje natychmiastowo w górnym położeniu tłoka lecz w pewnym okresie czasu, w związku z czym tłok podczas swego ruchu posuwistozwrotnego wykonuje część suwu w kierunku górnego położenia i część wymuszonego suwu za górnym położeniem zanim nastąpi całkowite spalenie paliwa.

Jak to dokładnie opisano w literaturze, fakt ten wiąże się ze zmniejszeniem uzyskanej pracy netto, określanym na 10 do 15% możliwej do uzyskania pracy netto.

Również wiadomo, że cykl roboczy silnika, powiedzmy silnika czterosuwowego, jest wykonywany, przy uwzględnieniu jedynie aspektów geometrycznych, w czterech suwach, z których każdy odpowiada połowie obrotu, to znaczy kątowi 180° ruchu korby. Dzięki przestawieniu osi cylindra względem osi obrotu wału zdawczego mogą być uzyskane różne czasy suwu (zwykle występują małe przestawienia, a zatem i małe różnice, więc przypadek ten można pominąć).

Choć powyższe rozważania przedstawiono zwłaszcza dla czterosuwowego silnika endotermicznego o kontrolowanym zapłonie iskrowym, takie same rozważania są ważne, z pewnymi różnicami, dla silnika dwusuwowego i dla silnika wysokoprężnego.

W opisie US nr 2,006,498 ujawniony jest mechanizm krzywkowy przenoszący ruch posuwisto zwrotny tłoka na ruch obrotowy wału silnika. Mechanizm zawiera dwie rolki, które obiegają krzywkę, a oś obrotu silnika i krzywki jest usytuowana w szczelinie znajdującej się na tłoczysku. Krzywka przedstawiona w tym opisie jest symetryczna względem osi przechodzącej przez jej oś obrotu i ma wklęsły odcinek obrzeża. W opisie patentowym US nr 4,966,067 przedstawiono mechanizm krzywkowy, który zawiera koło luźno zamontowane

177 464 na sworzniu tłokowym oraz krzywkę zamontowaną na wale zdawczym. Krzywka posiada obwodowy profil utworzony z odcinków łukowych, jej oś symetrii przechodzi przez jej oś obrotu i jest ukształtowana sercowato. Koło znajduje się w stałym beztarciowym styku z profilem krzywki przy jej obrocie.

W ostatnim czasie skonstruowano silniki obrotowe, które nie wymagają układu do przekształcenia ruchu posuwisto-zwrotnego w ruch obrotowy i są bardzo interesujące z technicznego punktu widzenia. Przykładowo, można tu wymienić silnik turbinowy i silnik WANKLA, najbardziej odpowiednie dla pojedynczych zastosowań.

Pomimo dobrych właściwości technicznych tego rozwiązania producenci silników nie są tym zbytnio zainteresowani głównie dlatego, że zalety tych silników (zwłaszcza dla przypadków średnich i małych) są zbyt małe aby podejmować decyzję o przestawieniu linii produkcyjnej i oprzyrządowania oraz ponoszeniu kosztów związanych z badaniami naukowymi, dla nowego wyrobu dającego ograniczone korzyści.

Wiadomo, że w silnikach znanych z dotychczasowego stanu techniki, zawierających znane mechanizmy korbowo-wodzikowe, suw rozprężania (od górnego do dolnego położenia) zawsze występuje przy drodze kątowej korby wynoszącej 180°. Wobec potrzeby posiadania odpowiedniej amplitudy dla suwu wydechowego w silnikach tego rodzaju zawór wydechowy jest otwierany znacznie przed osiągnięciem przez tłok dolnego położenia (najczęściej 70° do 80° przed tym punktem), co daje niepełne rozprężanie, a tym samym niższą sprawność rozprężania.

Silnik czterosuwowy wykonany według dotychczasowego stanu techniki pracuje w następującym cyklu:

I) Ssanie

II) Sprężanie, z zapłonem około 35° przed osiągnięciem przez tłok górnego położenia i rozpoczęciem spalania, z jednoczesnym przesuwaniem tłoka w górę, w kierunku jego górnego położenia.

III) Rozprężanie przy ruchu tłoka od górnego do dolnego położenia. Spalanie nie kończy się wcześniej niż przed osiągnięciem górnego położenia, a zatem trwa dalej podczas suwu rozprężania. Rozprężanie jest gwałtownie przerywane przed osiągnięciem przez tłok dolnego położenia (zwykle 70° przed nim) poprzez otwarcie zaworu wydechowego.

IV) Wydech występuyeprzy parciu tłoka przesuwającego siędogóry od yolnego do górnego położenia.

Te cztery suwy trwają w ciągu obrotu wału zdawczego na drodze 720°, to jest w ciągu jego 2 pełnych obrotów.

Według wynalazku mechanizm korbowo-wodzikowy do przekształcania prostoliniowego ruchu posuwisto-zwrotnego w ruch obrotowy, zwłaszcza do oddotermisznych silników tłokowych, zawierający koło luźno zamontowane na sworzniu tłokowym oraz co najmniej jedną krzywkę zamontowaną na wale zdawczym, posiadającą obwodowy profil utworzony z co najmniej dwóch odcinków łukowych, przy czym koło znajduje się w stałym beztarciowym styku z profilem krzywki przy jej obrocie, charakteryzuje się tym, że obrzeże krzywki ma pierwszy główny segment o co najmniej jednej krzywiźdio oraz drugi główny segment o co najmniej jednej krzywiźnie. Pomiędzy tymi dwoma głównymi segmentami są usytuowane pośrednie segmenty łukowe pierwszy i drugi o stałym promieniu krzywizny, przy czym promień krzywizny pierwszego pośredniego segmentu łukowego odpowiada odległości pomiędzy osią silnika i obrzeżem krzywki wyznaczającym dolne położenie tłoka, a suma promienia krzywizny drugiego pośredniego segmentu łukowego i odległości środka tej krzywizny od osi silnika odpowiada górnemu położeniu tłoka.

Korzystnie drugi główny segment obrzeża krzywki zawiera trzy odcinki łukowe mające różne promienie krzywizny, przy czym promień krzywizny odcinka łukowego usytuowanego bliżej osi silnika jest większy niż promień leżącego w środku krzywizny odcinka łukowego, a promień krzywizny następującego za nimi odcinka łukowego jest największy.

Korzystnie odcinek łukowy rozciąga się w obrębie 30° wokół osi obrotu silnika.

Korzystnie pomiędzy krzywką i kołem jest umieszczony zespół regulacyjny utrzymujący styk krzywki i koła.

177 464

Korzystnie zespół regulacyjny zawiera korbowód zamocowany swobodnie wychylnie na tej samej osi co koło i zaopatrzony w dolnej części w występ połączony z tylnym obrzeżem krzywki, współosiowym do zewnętrznego obrzeża krzywki i dokładnie go odtwarzającym.

Korzystnie zespół regulacyjny zawiera pręt zamocowany do tłoka w jednym końcu z co najmniej jednym stopniem swobody, a w drugim końcu zamocowany do sprężystego elementu.

Korzystnie sprężysty element jest połączony z układem hydraulicznym, zwłaszcza sterowanym przez mikroprocesor.

Korzystnie krzywka jest połączona z więcej niż jeden tłokami, z których każdy jest usytuowany w oddzielnym cylindrze.

Silnik czterosuwowy zawierający mechanizm korbowo-wodzikowy według wynalazku pracuje na dwóch pełnych obrotach, to znaczy przy obrocie wału zdawczego o 720°, wykonując jednocześnie 5 do 6 suwów:

I) Ssanie

II) Sprężanie

III) Zapłon i całkowite spalanie, przy zatrzymanym tłoku.

IV) Pełne rozprężanie.

V) Otwarcie zaworu wydechowego przy zatrzymanym tłoku.

VI) Wydech. '

W opisanym silniku czterosuwowym suwy V i VI mogą być również zunifikowane.

W silniku dwusuwowym zawierającym mechanizm według wynalazku korzystnie jest zatrzymanie tłoka w jego dolnym położeniu podczas suwu wydechowego (lub przejścia), ponieważ taki mechanizm zwiększa wartość „czasu -przekroju”, poprawiając działanie silnika.

Mechanizm korbowo-wodzikowy według wynalazku umożliwia uzyskanie wyraźnych korzyści w stosunku do rozwiązań dostępnych obecnie, realizując ponadto rozwiązanie w sposób korzystny adoptowalne przez producentów. Umożliwia on realizację cyklu roboczego przy spalaniu w stałej objętości oraz cykle o zmiennej amplitudzie bez wprowadzania przestawienia w istotnych granicach.

Dzięki rozwiązaniu według wynalazku można uzyskać wyraźny wzrost wartości wyrażenia dla momentu obrotowego, przeciętnie aż do podwojenia odnośnego pola pod krzywą (fig. 2). Jednocześnie oznacza to wzrost mocy właściwej na jednostkę objętości skokowej cylindra.

Zastosowanie mechanizmu korbowo-wodzikowego według wynalazku pozwala wytworzyć silnik spalinowy o zmniejszonych wymiarach i ciężarze, a więc silnik tańszy.

Ponadto wynalazek umożliwia produkcję z wykorzystaniem już istniejących linii produkcyjnych, maszyn i technologii. Inna korzyść mechanizmu zgodnego z wynalazkiem łączy się z rozwiązaniem problemu uwarstwionego wybuchu, dla uzyskania zerowego stopnia zanieczyszczeń środowiska, wymogu nałożonego przez prawo do końca lat dziewięćdziesiątych.

Układ korbowy zgodnie z wynalazkiem może być użyty w silnikach wielocylindrowych z zastosowaniem tylko jednej krzywki dla wszystkich cylindrów, lub jednej krzywki dla każdego cylindra.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 3 przedstawia schematyczny przekrój mechanizmu korbowo-wodzikowego według wynalazku, fig. 4a, 4b, 4c i 4d - poszczególne suwy silnika czterosuwowego z mechanizmem korbowo-wodzikowym według wynalazku, fig. 5 - szczególnie korzystny profil krzywki mechanizmu korbowo-wodzikowego według wynalazku, fig. 6 - schemat profilu krzywki według fig. 5, fig. 7 - przekrój mechanizmu korbowo-wodzikowego według wynalazku z zespołem regulacyjnym do utrzymywania styku pomiędzy kołem i krzywką, fig. 8 - schematyczny widok drugiego przykładu wykonania zespołu regulacyjnego do utrzymywania styku pomiędzy kołem i krzywką fig. 9 - przykład wykonania krzywki mającej profil zapewniający spalanie w stałej objętości.

Należy zaznaczyć, że w niniejszym opisie odniesiono się do rozwiązania znanego z dotychczasowego stanu techniki, wcześniej omówionym we wstępie do opisu, przy wstępnym założeniu, że obecna ocena jakościowa jest oparta na porównaniu dwóch silników, jednego wykonanego według wynalazku, a drugiego zgodnie z dotychczasowym stanem techniki, mającym tę samą pojemność skokową, ten sam otwór cylindra i skok tłoka, taki sam cykl

177 464 (dwusuw lub czterosuw), wykorzystujących to samo paliwo, przy tym samym stopniu sprężania, taką samą komorę spalania, tę samą ilość i wielkość zaworów ssących i wydechowych, ten sam układ ssący i wydechowy, gdzie wytwarzanie silnika odbywa się przy zastosowaniu tych samych narzędzi i materiałów, oraz z takim samym układem zapłonowym (iskrowym lub kompresyjnym).

Na fig. 3 przedstawiono mechanizm korbowo-wodzikowy według wynalazku, który zawiera krzywkę 1 integralnie połączoną z wałem zdawczym 6, koło 2 swobodnie obracające się a zatem luźne na sworzniu tłokowym 3, oraz jeden element ograniczający swobodę tłoka 4 w zakresie przesuwu wzdłuż osi cylindra 5, co będzie opisane bardziej szczegółowo poniżej.

Obrzeże krzywki 1 ma pierwszy główny segment B-D o jednej krzywiźnie oraz drugi główny segment A-E o jednej krzywiźnie. Pomiędzy tymi dwoma głównymi segmentami BD, A-E są usytuowane pośrednie segmenty łukowe pierwszy D-E i drugi A-B o stałych promieniach r_b, r_t krzywizny. Promień krzywizny r_b, pierwszego pośredniego segmentu łukowego D-E odpowiada odległości pomiędzy osią O silnika i obrzeżem krzywki 1 wyznaczającym dolne położenie tłoka 4, a suma promienia krzywizny r_t drugiego pośredniego segmentu łukowego A-B i odległości środka Cj tej krzywizny od osi O silnika odpowiada górnemu· położeniu tłoka 4.

Środki krzywizn C_b C₂, C3 łuków segmentów odpowiednio A-B, B-D, A-E znajdują się w odległości b_b b₂, bj od osi wału zdawczego 6 i wielkości te występują poniżej we wzorze obliczeniowym dla momentu obrotowego.

Działanie silnika jest opisane w odniesieniu do silnika czterosuwowego ze sterowanym zapłonem iskrowym. Należy tu zaznaczyć, że wynalazek w ten sam sposób zachowuje się w odniesieniu do silnika dwusuwowego (nawet mimo istniejących różnic). W obu przypadkach (silnik dwusuwowy i czterosuwowy) może być zapłonem kompresyjnym i z dowolnym rodzajem paliwa. Ponadto na rysunku przedstawiono tylko trzy środki krzywizn, wyłącznie dla uniknięcia skomplikowania rysunku.

Na fig. 4a - 4d przedstawiono działanie mechanizmu korbowo-wodzikowego zgodnie z wynalazkiem podczas suwu rozprężania dla produktu spalania za górnym położeniem tłoka 4.

Na denko tłoka 4 oddziaływuje ciśnienie gazów spalinowych p, które określa siłę przenoszoną na sworzeń 3 tłoka 4 i na koło 2, którego obrzeże popycha krzywkę 1. Ruch koła 2 wzdłuż obrzeża krzywki 1, której profil jest odpowiednio dobrany dla zoptymalizowania suwu, jest czystym obtaczaniem, to znaczy obtaczaniem bez poślizgu, a zatem i bez tarcia. Naprężenia ściskające wywierane na koło 2 korzystnie są dobrane w zakresie granicy sprężystości materiału dobranego dla koła 2 oraz krzywki 1.

Na fig. 4b przedstawiono suw wydechu. Tłok 4 jest pchany poprzez profil krzywki 1, za pomocą koła 2, do góry od dolnego położenia tłoka w kierunku jego górnego położenia wykorzystując energię zmagazynowaną w kole zamachowym. Gdy wał zdawczy 6 wykona określony łuk kołowy, występuje tendencja utraty styku koła 2 z krzywką 1. Musi być zatem zastosowany zespół regulacyjny, który przekazuje energię oddaną przez krzywkę 1 na tłok 4 i utrzymuje jej styk z kołem 2.

Na fig. 4c przedstawiono suw ssania. W tym przypadku tłok 4 podąża za profilem krzywki 1, a zatem konieczne jest, aby zespół regulacyjny wymuszał przesunięcie tłoka 4 z jego dolnego położenia. Po wykonaniu określonego łuku kołowego przez wał zdawczy 6 oddziaływanie zespołu regulacynego nie jest już dalej potrzebne, ponieważ energia bezwładności tłoka 4 pozwala przywrócić styk pomiędzy kołem 2 i krzywką 1. Krzywka 1 przeciwstawia się inercji tłoka 4, przemieszczając go z jego dolnego położenia.

Na fig. 4d przedstawiono suw sprężania. Tak jak w suwie wydechu, może tu wystąpić utrata styku koła 2 i krzywki 1 (chociaż ujemna praca tłoka 4 podczas suwu sprężania może przyjąć takie wartości, że nastąpi w tych przypadkach anulowanie bezwładności). W tym przypadku również jest konieczne oddziaływanie zespołu regulacyjnego.

Na podstawie fig. 5, schematycznie przedstawiającego jeden z możliwych przykładów wykonania krzywki 1 można zauważyć, że obrót koła 2 następuje w wyniku styku obrzeża koła 2 z określonym segmentem obrzeża krzywki 1 o profilu, który ma określone położenie środka krzywizny C_b C₂, C₂,

177 464

Na fig. 5 środki C_b C₂, C₃ krzywizn poszczególnych łuków odpowiednio A-B, B-D, A-E i oś silnika O są połączone odcinkami o długościach b_t, b2, b₃.

Długości b_b b2, b₃ są parametrami przewidzianymi do wprowadzenia do wzoru wspomnianego powyżej, podającego wartość chwilowego momentu obrotowego, zgodnie z kątem α obrotu wału zdawczego 6 od górnego położenia tłoka 4 zastępujących wartości promienia r korby znanych mechanizmów.

Z fig. 6 można zauważyć, że użyteczny suw tłoka 4 wzdłuż osi cylindra 5 wynika z zależności: c = r_t - r_b, gdzie c = | OC_t | jest odległością pomiędzy osią O silnika i środkiem C, krzywizny krzywki 1, rt jest promieniem krzywizny profilu krzywki 1 (wyznaczającym górny punkt tłoka 4), a rb jest środkiem krzywizny podstawy krzywki 1 (wyznaczającym BDC).

Pojemność skokową silnika stanowi iloczyn pola powierzchni tłoka 4 i wielkości skoku. Skok tłoka 4, który dla wcześniej opisanego znanego mechanizmu korbowo-wodzikowego jest równy 2r, jest parametrem stałym, występującym we wzorze na moment obrotowy. Długości b_b b2, b3 są odpowiednio dobrane i korzystnie są wielokrotnością promienia r, choć pojemność skokowa pozostaje równa polu powierzchni tłoka pomnożonemu przez 2r.

Zakładając przykładowo r = 26 mm, zatem 2r = skok = 52 mm, oraz dobierając: r_t= rb = 16 mm, otrzymujemy:

skok = 52 mm = c + rt - rb = c + 16 -16 = 52, a zatem c = b_bJeśli przykładowo:

rt = 16 mm, ą=26 mm, otrzymujemy b= 62 mm, gdzie ty jest większe od skoku.

Wracając ponownie do wzoru na moment obrotowy, możemy zauważyć, że:

.. F-r(ś\n.a + XI2-ś\na)

Mm =--\ =-Vl-/Ł²sin²ćz

2 Z 2 2 *

Pomijając wyrażenie λ sin α, a zatem przyjmując, że wyrażenie VI-λ -sin a jest równe 1, przy danej sile F oddziaływującej na tłok 4 zarówno we wcześniej omówionym mechanizmie korbowo-wodzikowym, lub w mechanizmie korbowo-wodzikowym według wynalazku chwilowy moment M_mjest funkcją wyrażenia „f” = r (sina + λ/2 sina), gdzie r odpowiada skokowi i ma wartość stałą, a 1jest stałą długością korbowodu dla rozważanego silnika.

λ= r/l (zgodnie z dotychczasowym stanem techniki λ jest równe około 0,25)

W mechanizmie korbowo-wodzikowym według wynalazku r = b_b b2, b3, itd. przy czym wartość ta jest uzyskiwana poprzez dodanie promienia koła 2 (w tym przykładzie jest to wartość stała, ponieważ koło 2 ma jednakowy promień) oraz promienia krzywizny na poszczególnych odcinkach profilu krzywki 1.

Z dużym przybliżeniem w tabeli 1 są podane dla różnych skoków tłoka wartości wyżej wymienionego wyrażenia „f ’ dla silnika znanego z dotychczasowego stanu techniki i dla silnika według wynalazku przedstawionego na fig. 6 o tym samym skoku = 52 mm, z tym samym korbowodem mającym długość 1=110 mm, przy czym silnik z mechanizmem według wynalazku ma krzywkę 1 pokazaną na fig. 6, koło 2 o średnicy 76 mm.

Tabela 1

Tłok Skok (mm)	Stan techniki ,4”	Wynalazek f’
2,5	7,7	20,8
9	24,5	40
17,5	24	44
29,5	26	37
37	21,8	31
41	20,4	22
49	oo	16

177 464

Nawet uwzględniając, że dla mechanizmu korbowo-wodzikowego według wynalazku, wskutek większego pochylenia kierunku nacisku wywieranego przez koło 2 na krzywkę 1, względem osi cylindra, występuje większa strata w ruchu względmym pomiędzy ścianką tłoka 4 i cylindrem, uzyskiwane jest tu pełne rozprężanie w odróżnieniu od silnika dotychczasowego, gdzie rozprężanie jest przerywane.

Suw rozprężania i cykl roboczy kończą się z wyraźnym wzrostem mocy uzyskanym w stosunku do rozwiązania według stanu techniki i wynika to bądź ze wzrostu sprawności termodynamicznej wskutek spalania w stałej objętości, bądź też pełnego rozprężania, lub zmniejszenia strat tarcia w układzie korbowód-korba mechanizmu korbowo-wodzikowego.

Rozwiązanie według wynalazku może być korzystnie zastosowane dla silników wielocylindrowych, z użyciem wyłącznie jednej krzywki 1 dla wszystkich cylindrów, lub użyciem liczby krzywek 1 odpowiadającej liczbie cylindrów.

Przykład wykonania zespołu regulacyjnego jest przedstawiony na fig. 7. Jest to jedynie przykład ilustracyjny i możliwe jest zastosowanie wielu innych rozwiązań równoważnych.

Zespół regulacyjny według fig. 7 składa się z małego korbowodu 7 współosiowo zamontowanego na kole 2 i posiadającego na dole występ 8 połączony z tylnym profilem 9 krzywki 1, tylny profil 9 dokładnie odtwarza zewnętrzny profil krzywki 1. Występ 8 korbowodu 7 jest zaopatrzony w kółko lub ślizgacz 10, w celu uzyskania poślizgu małego korbowodu 7 wzdłuż profilu 9 bez jakiegokolwiek wpływu na ruch krzywki 1.

Jak wspomniano mały korbowód 7 ma za zadanie jedynie utrzymanie stałego kontaktu pomiędzy środkiem koła 2 i zewnętrznym profilem krzywki 1.

Inny przykład wykonania zespołu regulacyjnego do utrzymania stałej odległości jest przedstawiony na fig. 8. W tym przypadku w skład zespołu regulacyjnego wchodzi pręt 11 zamocowany z co najmniej jednym stopniem swobody do tłoka 4, na przykład w dolnej części tego samego tłoka 4. W przedstawionym przykładzie wykonania pręt 11 jest zamocowany do sworznia 3 tłoka 4. Drugi koniec pręta 11 jest zamocowany do sprężystego elementu 12, przewidzianego do pochłaniania energii inercyjnej tłoka 4 podczas suwu z dolnego położenia tłoka do górnego położenia tłoka, oddając ją podczas pierwszej części skoku od górnego położenia do dolnego położenia.

Sprężysty element 12 korzystnie jest połączony z układem hydraulicznym, ewentualnie sterowanym przez mikroprocesor.

Na fig. 9 przedstawiono korzystny przykład wykonania krzywki 1, która zawiera obrzeże o wielu promieniach krzywizny, pozwalające utrzymać stałą objętość podczas spalania.

W tym przykładzie krzywka 1 ma obrzeże posiadające główne segmenty B-D i A-E, które składają się z wielu odcinków łukowych. Pierwszy główny segment B-D zawiera odcinki łukowe A-C, C-D o różnych promieniach krzywizny odpowiednio r2, r3 i środkach krzywizny C2, C3. Drugi główny segment A-E zawiera odcinki łukowe E-F, F-G i G-A o różnych promieniach krzywizny r₅, r₆ i r7 oraz o środkach krzywizn C5, C₆ i C7.

Promień r₅ krzywizny odcinka łukowego E-F usytuowanego bliżej osi O silnika jest większy niż promień r6 leżącego w środku krzywizny odcinka łukowego F-G, a promień rn krzywizny następującego za nimi odcinka łukowego G-A jest największy.

Odcinek łukowy G-A rozciąga się w obrębie 30° wokół osi O obrotu silnika.

Pomiędzy głównymi segmentami pierwszym B-D i drugim A-E są usytuowane pośrednie segmenty łukowe pierwszy D-E i drugi A-B. Promień krzywizny r₄ pierwszego pośredniego segmentu łukowego D-E odpowiada odległości pomiędzy osią O silnika i obrzeżem krzywki 1 wyznaczającym dolne położenie tłoka 4.

Suma promienia krzywizny η drugiego pośredniego segmentu łukowego A-B i odległości środka C1 tej krzywizny od osi O silnika odpowiada górnemu położeniu tłoka 4.

Przedstawiony przykład jest obliczony dla suwu tłoka 4 wynoszącego 56 mm.

Obrót krzywki 1 następuje w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, a suw tłoka jest obliczony jako | OC₄| + | OC51 + η+ r₄ = 56 mm. Średnica koła 2 stanowiącego obrotowy korbowód jest równa 70 mm.

177 464

Główny segment B-D wraz z segmentem łukowym A-B obrzeża krzywki 1 jest łukiem dla suwu rozprężania i suwu ssania.

Wzdłuż pierwszego pośredniego segmentu łukowego D-E, rozciągającego się w obrębie 30° wokół osi O, tłok jest zatrzymywany w dolnym położeniu. Drugi główny segment łukowy A-E jest łukiem dla suwu sprężania i wydechu. Na odcinku łukowym G-A tłok 4 jest zatrzymywany w jego górnym położeniu. Przy styku koła 2 z tym odcinkiem łukowym G-A, który w tym przykładzie rozciąga się w obrębie 30° wokół osi O, następuje spalanie przy stałej objętości.

Czas zatrzymania tłoka obliczono jako t = 0,001 s, przy szybkości obwodowej krzywki 1 wynoszącej 4500 obr/min.

Wynalazek opisano w celach ilustracyjnych, jednakże bez ograniczeń, zgodnie z korzystnymi przykładami wykonania, lecz rozumie się, że mogą być wprowadzone modyfikacje i zmiany bez odstępstwa od zakresu określonego załączonymi zastrzeżeniami.

177 464

C

Ε

177 464

FIG. 8

177 464

FIG. 7

177 464

FIG. 4d

FIG. 4c

'6

177 464

FIG. 3

177 464

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Mechanizm korbowo-wodzikowy do przekształcania prostoliniowego ruchu posuwisto-zwrotnego w ruch obrotowy, zwłaszcza do endotermicznych silników tłokowych, zawierający koło luźno zamontowane na sworzniu tłokowym oraz co najmniej jedną krzywkę zamontowaną na wale zdawczym, posiadającą obwodowy profil utworzony z co najmniej dwóch odcinków łukowych, przy czym koło znajduje się w stałym beztarciowym styku z profilem krzywki przy jej obrocie, znamienny tym, że obrzeże krzywki (1) ma pierwszy główny segment (B-D) o co najmniej jednej krzywiźnie oraz drugi główny segment (A-E) o co najmniej jednej krzywiźnie, przy czym pomiędzy tymi dwoma głównymi segmentami (B-D, A-E) są usytuowane pośrednie segmenty łukowe pierwszy (D-E) i drugi (A-B) o stałym promieniu (r_b, r_t, r₄, rj) krzywizny, przy czym promień krzywizny (r_b, r₄) pierwszego pośredniego segmentu łukowego (D-E) odpowiada odległości pomiędzy osią (O) silnika i obrzeżem krzywki (1) wyznaczającym dolne położenie tłoka (4), a suma promienia krzywizny (r_t, rj) drugiego pośredniego segmentu łukowego (A-B) i odległości środka (Cj) tej krzywizny od osi (O) silnika odpowiada górnemu położeniu tłoka (4).
2. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że drugi główny segment (A-E) obrzeża krzywki (1) zawiera trzy odcinki łukowe (E-F, F-G, G-A) mające różne promienie krzywizny (r₅, r₆, r₇), przy czym promień (r₅) krzywizny odcinka łukowego (E-F) usytuowanego bliżej osi (O) silnika jest większy niż promień (r₆) leżącego w środku krzywizny odcinka łukowego (F-G), a promień (r₇) krzywizny następującego za nimi odcinka łukowego (G-A) jest największy.
3. Mechanizm według zastrz. 2, znamienny tym, że odcinek łukowy (G-E) rozciąga się w obrębie 30° wokół osi (O) obrotu silnika.
4. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy krzywką (1) i kołem (2) jest umieszczony zespół regulacyjny utrzymujący styk krzywki (1) i koła (2).
5. Mechanizm według zastrz. 4, znamienny tym, że zespół regulacyjny zawiera korbowód (7) zamocowany swobodnie wychylnie na tej samej osi co koło (2) i zaopatrzony w dolnej części w występ (8) połączony z tylnym profilem (9) krzywki (1), współosiowym do zewnętrznego obrzeża krzywki (1) i dokładnie go odtwarzającym.
6. Mechanizm według zastrz. 4, znamienny tym, że zespół regulacyjny zawiera pręt (11) zamocowany do tłoka (4) w jednym końcu z co najmniej jednym stopniem swobody, a w drugim końcu zamocowany do sprężystego elementu (12).
7. Mechanizm według zastrz. 6, znamienny tym, że sprężysty element (12) jest połączony z układem hydraulicznym, korzystnie sterowanym przez mikroprocesor.
8. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że krzywka (1) jest połączona z więcej niż jednym tłokiem (4), z których każdy jest usytuowany w oddzielnym cylindrze (5).