PL182695B1 - Silnik spalinowy - Google Patents

Abstract

1 . Silnik spalinowy posiadajacy co naj- mniej jeden tlok, umieszczony w cylindrze i polaczony z korbowodem, przy czym korbo- wód jest polaczony z wykorbieniem walu i jest polaczony z jednym koncem podluznego lacz- nika, który jest polaczony z wykorbieniem w punkcie posrednim pomiedzy jego koncami, i którego drugi koniec jest dzwignia usytuowana pomiedzy ogranicznikami zamocowania, wy- chylnie wokól osi równoleglej do osi walu kor- bowego, przy czym zamocowanie zawiera ru- chomy czlon zamocowania polaczony z nieru- chomym czlonem zamocowania, znamienny tym, ze dzwignia (18) jest polaczona suwliwie z ruchomym czlonem (20) zamocowania i ru- chomy czlon (20) zamocowania jest zamoco- wany wychylnie wzgledem nieruchomego czlonu (24) zamocowania wokól osi (21). F i g . 1 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest silnik spalinowy.

Z opisu patentowego EP-A-0591153 znany jest silnik spalinowy, w którym jeden tłok lub każdy tłok uzyskuje przynajmniej w części cyklu ruch o takiej szybkości, że wykres jego przemieszczenia w funkcji czasu różni się od przebiegu sinusoidalnego, jaki jest nieodłącznie uzyskiwany w silnikach konwencjonalnych, w których każdy tłok jest połączony z wykorbieniem wału korbowego za pomocą korbowodu. W konwencjonalnych silnikach spalinowych usiłowano dostosowywać spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej do ruchu tłoka, natomiast zasady konstrukcji według wymienionego dokumentu są takie, że spalanie przebiega w sposób optymalny i tłok uzyskuje ruch, który wynika z takiego spalania, i który jest odniesiony do charakteru przebiegu procesu spalania.

W silniku, opisanym w omawianym opisie EP-A-0591153 tłok uzyskuje opóźnienie, a zatem porusza się wolniej niż w silniku konwencjonalnym w pobliżu lub w tym punkcie cyklu, w którym następuje zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej, i następnie przyśpiesza ponownie przed dojściem do górnego punktu zwrotnego. Opiera się to na ustaleniu, że w konwencjonalnym spalaniu tłok porusza się zasadniczo z maksymalną szybkością w punkcie wystąpienia zapłonu, a stopień sprężania jest zmieniany zasadniczo z największą szybkością i tym samym hamuje szybkość propagacji czoła płomienia w objętości mieszanki paliwowo-powietrznej, a zatem pogarsza charakterystykę zupełności procesu spalania. Jednakże

182 695 spowolnienie ruchu tłoka w pobliżu punktu zapłonu oznacza, że szybkość wzrostu ciśnienia mieszanki paliwowo-powietrznej na początku propagacji czoła płomienia będzie zasadniczo mniejsza niż występuje zazwyczaj, co prowadzi do znacznie szybszej propagacji czoła płomienia w mieszance paliwowo-powietrznej, niż występuje zazwyczaj.

Wspomniany dokument ujawnia również, że tłok uzyskuje maksymalne przyśpieszenie i maksymalną szybkość mniej więcej pomiędzy 0° i 40° za górnym punktem zwrotnym, zamiast 90° za górnym punktem zwrotnym jak w silniku konwencjonalnym, i następnie porusza się wolniej niż w silniku konwencjonalnym w dalszej części suwu roboczego, przed dojściem do dolnego punktu zwrotnego. Przejawia się to w obniżeniu temperatury gazów spalinowych, a zatem w zmniejszonej emisji tlenków azotu NOx oraz w zmniejszeniu erozji kanałów wydechowych i zaworów.

Na silnikach wykonanych zgodnie z EP-A-0591153 przeprowadzono rozległe badania, które wykazały, że silnik ten wyraźnie wykazuje zdecydowany wzrost sprawności w porównaniu z silnikami konwencjonalnymi oraz wytwarza znacznie zmniejszoną emisję niespalonych węglowodorów CO i NOx. W rzeczy samej badania te wykazały, że proces spalania w silnikach zgodnych z wcześniejszym dokumentem następuje w sposób zasadniczo różny, niż w silnikach konwencjonalnych, co przykładowo wynika z faktu, że szybkość wzrostu ciśnienia w cylindrze podczas spalania wynosi około 6,5 bara na stopień obrotu wału zdawczego, w porównaniu z około 2,5 bara w silniku konwencjonalnym oraz że spalanie zupełne występuje w zakresie około 22° obrotu wału zdawczego za górnym punktem zwrotnym, w porównaniu z około 60° w silniku konwencjonalnym. Jednakże silnik ujawniony we wcześniejszym dokumencie zawiera profilowe krzywki współpracujące z tłokami zamiast konwencjonalnego wału korbowego i choć takie krzywki są w pełni funkcjonalne i technicznie zado wdające, korzystne byłoby zastosowanie w silniku wału korbowego generalnie konwencjonalnego typu, co wynika z istniejącego wyposażenia produkcyjnego w produkcji masowej dla wałów korbowych dostarczanych uprzednio oraz z technologii wytwarzania silników z wałem korbowym, która jest bardziej rozpowszechniona, wypróbowana i przebadana niż dla silników typu krzywkowego.

Tak więc celem obecnego wynalazku jest wykonanie silnika spalinowego z tłokiem posuwisto-zwrotnym, w którym wykres przemieszczenia w funkcji czasu dla każdego tłoka różni się od kształtu sinusoidalnego dla silnika z konwencjonalnym wałem korbowym, na przykład w sposób podobny do ujawnionego w EP-A-591153 i może być również zmieniany podczas pracy silnika, lecz w którym silnik posiada wał korbowy konwencjonalnego typu.

Silnik spalinowy posiadający co najmniej jeden tłok, umieszczony w cylindrze i połączony z korbowodem, przy czym korbowód jest połączony z wykorbieniem wału i jest połączony z jednym końcem podłużnego łącznika, który jest połączony z wykorbieniem w punkcie pośrednim pomiędzy jego końcami, i którego drugi koniec jest dźwignią usytuowaną pomiędzy ogranicznikami zamocowania, wychylnie wokół osi równoległej do osi wału korbowego, przy czym zamocowanie zawiera ruchomy człon zamocowania połączony z nieruchomym członem zamocowania, według wynalazku charakteryzuje się tym, że dźwignia jest połączona suwliwie z ruchomym członem zamocowania i ruchomy człon zamocowania jest zamocowany wychylnie względem nieruchomego członu zamocowania wokół osi.

Zamocowanie zawiera ruchomy ogranicznik, zamocowany przesuwnie względem nieruchomego członu zamocowania w kierunku poprzecznym do długości dźwigni, oraz elementy sterujące przemieszczaniem ruchomego ogranicznika, przy czym ruchomy człon zamocowania jest połączony z ruchomym ogranicznikiem wychylnie wokół osi.

Elementy sterujące stanowią przynajmniej jedną krzywkę współpracującą z ruchomym ogranicznikiem.

Korzystnie elementy sterujące stanowią dwie identyczne krzywki współpracujące przeciwsobnie z ruchomym ogranicznikiem, przy czym obie krzywki są połączone.

Elementy sterujące mogą także stanowić mimośród sterujący z ruchomym ogranicznikiem.

Elementy sterujące są sprzężone z wałem korbowym.

Oś, w centralnym położeniu swego prostoliniowego przesuwu, i oś obrotu wału korbowego leżą w płaszczyźnie prostopadłej do osi cylindra.

182 695

W silniku według obecnego wynalazku korbowód nie jest bezpośrednio połączony obrotowo z odpowiednim wykorbieniem lecz pośrednio poprzez jeden koniec członu łączącego wychylnie połączonego z korbowodem i wałem korbowym. Drugi koniec członu łączącego jest wychylnie zamontowany wokół trzeciej osi przegubu, która jest równoległa do dwóch pozostałych, i jest prostoliniowo przesuwny równolegle do jego długości. Ruch tłoka będzie się zatem różnił od sinusoidalnego i może być zmieniany według potrzeby poprzez zmianę odległości wzajemnych położeń trzech osi przegubu członu łącznikowego, które generalnie nie będą leżeć w jednej płaszczyźnie. Korzystne jest jednakże, aby trzy osie przegubu były ustawione w taki sposób, by ruch tłoka dokładnie imitował ruch tłoka silnika ujawnionego w EP-A-0591153, zwłaszcza że tłok ten porusza się znacznie wolniej w pobliżu punktu wystąpienia zapłonu niż tłok w silniku konwencjonalnym.

Wynalazek znajduje zastosowanie do silników dwusuwowych i czterosuwowych, zarówno z zapłonem iskrowym jak i wysokoprężnych.

W przypadku silnika czterosuwowego może być pożądane zróżnicowanie ruchu tłoka pomiędzy suwem sprężania i suwem wydechu, a nawet pomiędzy suwem ssania i suwem roboczym. Można to uzyskać różnymi sposobami, a w jednym korzystnym przykładzie wykonania elementy sterujące są sprzężone z wałem korbowym w taki sposób, że gdy silnik pracuje, ruchomy ogranicznik wykonuje ciągły, posuwisto-zwrotny ruch prostoliniowy. Układ będzie pozostawał w fazie z ruchem tłoka, w wyniku czego ruch tłoka będzie taki sam dla każdego suwu sprężania, lecz będzie się różnił od suwu wydechu. Elementy sterujące mogą być zastosowane nie tylko do zmiany sposobu ruchu tłoka w stosunku do przebiegu sinusoidalnego, lecz mogą być również przynajmniej częściowo zastosowane do wytworzenia zmiany, a zatem mogą być uruchamiane podczas suwu tłoka, na przykład w punkcie lub w otoczeniu punktu zapłonu dla uzyskania pożądanego opóźnienia tłoka w tym punkcie.

Choć obie części członu połączenia po przeciwnych stronach wykorbienia, z którym jest on wychylnie połączony, mogą być współliniowe to jednak okazało się bardziej korzystne jeśli są one nieco pochylone względem siebie, na przykład w zakresie od 5° do 45°.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 do 4 przedstawiają w znacznym uproszczeniu schemat w częściowym przekroju fragmentu czterosuwowego silnika spalinowego, gdzie pokazano tylko jeden cylinder i tłok oraz mechanizm połączenia tłoka, przy czym fig. 1 przedstawia pierwszy przykład wykonania wynalazku, fig. 2 - drugi przykład wykonania wynalazku, fig. 3 - trzeci przykład wykonania wynalazku, fig. 4 - czwarty przykład wykonania wynalazku.

We wszystkich czterech przykładach wykonania w silniku występuj ą cztery cylindry i może występować więcej niż sześć cylindrów bądź tylko jeden cylinder, choć pokazano tylko jeden cylinder 2. W cylindrze zamontowano tłok 4 wykonujący ruch posuwisto-zwrotny. Tłok 4 jest wychylnie połączony wokół osi 5 w zwykły sposób do korbowodu 6. Poniżej tego, lub każdego cylindra 2 występuje wał korbowy 7, który pokazano tylko schematycznie na fig. 1 i nie pokazano w ogóle na fig. 2 i 3 ze względu na przejrzystość, który jest zamontowany obrotowo wokół osi 8. Na wale korbowym 7 występuje wykorbienie 10 wału oddzielne dla każdego tłoka. Korbowód 6 nie jest jednakże bezpośrednio połączony z wykorbieniem 10, lecz zamiast tego jest obrotowo połączony wokół osi 12 do jednego końca 11 podłużnego łącznika 14. Łącznik 14 jest połączony wychylnie wokół osi 16 w punkcie pośrednim pomiędzy jego końcami z wykorbieniem 10 wału, za pośrednictwem stosownego łożyska tocznego

15. Drugi koniec łącznika 14 stanowi dźwignia 18 w kształcie pełnego lub wydrążonego pręta zamocowana z możliwością wykonywania wzdłużnego przesuwu w obsadzie, której konstrukcja różni się w każdym z przykładów wykonania.

W pierwszym przykładzie wykonania pokazanym na fig. 1 obsada jest utworzona przez ruchomy człon 20 zamocowania w postaci tulei przechodzącej poprzez średnicowy otwór 22 w nieruchomym członie 24 zamocowania utworzonym przez rurę lub tuleję, która jest typowo połączona ze skrzynią korbową (nie pokazano), i poprzez otwór 23 w litym ruchomym ograniczniku 26, który jest umieszczony i prowadzony we wnętrzu nieruchomego członu 24 zamocowania. W punkcie pośrednim pomiędzy końcami tulei ruchomego członu 20 wystają dwa przeciwne łożyskowe czopy 25 zawieszenia obrotowego, które są obrotowo zamontowa182 695 ne w przeciwnych otworach 27 utworzonych w bocznej ścianie ruchomego ogranicznika 26, który posiada możliwość wykonywania wzdłużnego przesuwu wewnątrz nieruchomego członu 24 zamocowania, wychylając się wokół następnej osi 21, w wyniku czego tuleja czyli ruchomy człon 20 może wychylać się lub obracać w ograniczonym zakresie wokół czopów zawieszenia obrotowego względem nieruchomego członu 24 zamocowania, i w ograniczonym zakresie może również przemieszczać się wzdłużnie w kierunku długości nieruchomego członu 24 zamocowania.

Po przeciwnej stronie zewnętrznej części tulei czyli ruchomego członu 20 występuje ruchomy ogranicznik 26. Ruchomy ogranicznik 26 może być wzdłużnie przemieszczany wewnątrz nieruchomego członu 24 zamocowania w wyniku oddziaływania ciśnienia hydraulicznego lub pneumatycznego na jego tylne powierzchnie, doprowadzonego poprzez kanały 28 wykonane w każdym końcu nieruchomego członu 24 zamocowania. Alternatywnie, ruchomy ogranicznik 26 może być przemieszczany w sposób pośredni poprzez przyłożenie do jego tylnych powierzchni siły napędowej z tłoków hydraulicznych lub pneumatycznych.

Podczas pracy oś 21 zazwyczaj pozostaje nieruchoma i gdy wał korbowy 10 obraca się, a tłok 4 wykonuje ruch posuwisto-zwrotny wewnątrz cylindra 2, oś 16 wału korbowego 10 zatacza kołowy tor 29, dźwignia 18 wsuwa się w tuleję czyli ruchomy człon 20 i wysuwa, a tuleja wychyla się w tył i w przód wokół swych czopów 25 zawieszenia obrotowego. Tuleja czyli ruchomy człon 20 powstrzymuje dźwignię 18 przed liniowym przemieszczaniem poprzecznie do jego długości. Oś przegubu 12 wykonuje ruch wymuszony przez kinematykę tego układu wzdłuż dość nieregularnego toru 30, pokazanego na fig. 1, który ma kształt nieco zdeformowanego owalu lub elipsy. Cztery punkty charakterystyczne, jakie oś ta zajmuje podczas jednego obrotu wału korbowego oznaczono odnośnikami 12, 12', 12”, 12'”, a odpowiadające położenia osi 5 oznaczono odnośnikami 5, 5', 5, 5'”. Wykres działania mechanizmu przedstawiający zajmowane położenia tłoka w funkcji czasu różni się od konwencjonalnego kształtu sinusoidalnego, a sposób, w jaki ta różnica zachodzi będzie zależny od wzajemnych położeń osi 12, 16 i 21. Są one ustalane dla wytworzenia żądanego rodzaju ruchu tłoka, na przykład jak dla silnika opisanego w EP-A-0591153.

Sposób ruchu tłoka może być zmieniany poprzez zmianę położenia osi 21. Można to uzyskać poprzez przemieszczanie ruchomego ogranicznika 26 i tym samym przemieszczanie tulei czyli ruchomego członu 20 w kierunku długości nieruchomego członu 24 zamocowania. Przestawienie położenia osi 21 może następować w końcu co najmniej jednego suwu tłoka podczas każdego cyklu, w celu wytworzenia różnych rodzajów ruchu, na przykład dla suwu sprężania i suwu wydechu, albo w celu optymalnego dostosowania spalania do różnych warunków obciążenia. Poza tym, oś 21 może być przemieszczana podczas jednego lub więcej suwów tłoka w celu wytworzenia żądanej zmiany ruchu tłoka w stosunku do przebiegu sinusoidalnego. W każdym z przypadków przemieszczenie tulei czyli ruchomego członu 20 przez ruchomy ogranicznik 26 może być uzyskane bardzo szybko, na przykład pod kontrolą układu sterowania silnika, który jest obecnie stosowany w większości nowoczesnych silników samochodowych.

W drugim przykładzie wykonania zilustrowanym na fig. 2 drugi koniec łącznika 14 w postaci dźwigni 18 jest wydrążony w celu zmniejszenia ciężaru i przechodzi poprzez otwór w ruchomym członie 20 zamocowania, który jest utworzony przez kulę lub walec, i jest w nim osadzony suwliwie. Ruchomy człon 20 zamocowania jest utrzymywany w otworze przechodzącym poprzez ruchomy ogranicznik 26, w wyniku współpracy kołowej w przekroju powierzchni zewnętrznej tego członu z leżącymi naprzeciwko dopełniającymi powierzchniami ruchomego ogranicznika 26. Ruchomy człon 20 zamocowania może zatem obracać się względem ruchomego ogranicznika 26 wokół osi 21, lecz nie może przemieszczać się liniowo w stosunku do niego. A zatem dźwignia 18 może przemieszczać się tylko poosiowo i liniowo wzdłuż swej długości względem ruchomego członu 20 zamocowała.

Ruchomy ogranicznik 26 posiada dwa przeciwne łukowe zakończenia 30 współpracujące z dwoma identycznymi krzywkami 31, które są odwrócone o 180° względem siebie. Krzywki 31 są zamontowane na wałach 32, na których zamontowano również uzębione koła pasowe 33. Na dwa koła pasowe 33 nałożono pas zębaty 34 co oznacza, że koła te, a zatem

182 695 i krzywki 31 będą się obracać synchronicznie w ten sam sposób. Jeden lub oba wałki 32 są połączone z napędem (nie pokazano), sterowanym na przykład przez układ sterowania silnika, w celu nadania ruchu przerywanego lub ciągłego według potrzeby, dla wytworzenia żądanego rodzaju ruchu tłoka.

Ruchomy ogranicznik 26 ma ruch ograniczony do przesuwu liniowego równoległego do jego długości, poprzez wykonanie w nim dwóch podłużnych rowków 35, przez które przechodzą kołki prowadzące 36. Kołki 36 są połączone z nieruchomym członem zamocowania, którego nie pokazano ze względów przejrzystości, i który jest typowo połączony ze skrzynią korbową lub tworzy jej część.

Przykład wykonania zilustrowany na fig. 3 jest bardzo podobny do przykładu zilustrowanego na fig. 2, lecz w tym przypadku na jednym z wałków 32 zamontowano następne uzębione koło pasowe 37, a na wale korbowym również zamontowano uzębione koło zębate 38 bądź też część jego obwodu jest uzębiona i tworzy takie koło. Po dwóch kołach 37, 38 biegnie pas zębaty 39 i łączy je w sposób obrotowy. Wymiary kół pasowych 37, 38 są tak dobrane, że jeden obrót wału korbowego 7 wytwarza pół obrotu koła pasowego 37. Oznacza to, że liniowy przesuw posuwisto-zwrotny ruchomego ogranicznika pozostaje w fazie z cyklem roboczym silnika. A zatem ruch tłoka będzie taki sam na przykład w każdym suwie sprężania, lecz będzie się różnił względem ruchu każdego suwu wydechu. Ruchomy ogranicznik 26 pokazano w górnym punkcie zwrotnym, tzn. w jego najbliższym położeniu względem tłoka, a tłok pokazano w dolnym punkcie zwrotnym, przed wykonaniem suwu sprężania. Ustalono, że daje to bardziej widoczne opóźnienie tłoka w pobliżu punktu zapłonu a zatem ruch tłoka dokładnie imitujący ruch tłoka według EP-A-059l153.

Przykład według fig. 4 jest bardzo podobny do przykładu według fig. 3, lecz w tym przypadku napęd krzywkowy wytwarzający ruch posuwisto-zwrotny ruchomego członu 20 zamocowania, i ruchomego ogranicznika 26 został zastąpiony przez napęd mimośrodowy. Pominięto tu krzywki 31, a także jedno z kół pasowych 33 i pas zębaty 34. Pozostałe koło pasowe 33 zaopatrzono w mimośród 40, obrotowo umieszczony w otworze 41 o tej samej średnicy, wykonanym w jednym końcu podłużnego łącznika 42. W drugim końcu łącznika 42 występuje otwór, poprzez który i poprzez odpowiadający otwór w odnośnym końcu ruchomego ogranicznika 26, przechodzi następny sworzeń 43 przegubu. Stosownie do tego obracanie wału korbowego 7 powoduje obracanie mimośrodu 40 wokół osi koła pasowego 43, co z kolei powoduje prostoliniowy ruch posuwisto-zwrotny ruchomego ogranicznika 26 równoległy do jego długości, z amplitudą określoną poprzez mimośrodowość mimośrodu 40.

We wszystkich przykładach wykonania wspomnianych powyżej ruch tłoka dokładnie imituje ruch tłoka w silniku ujawnionym w dokumencie EP-A-0591153. A zatem tłok zwalnia zasadniczo do lub w pobliżu punktu zapłonu i następnie ponownie przyśpiesza przed dojściem do górnego punktu zwrotnego. Tłok osiąga również swe maksymalne przyśpieszenie i maksymalną szybkość mniej więcej pomiędzy 0° i 40° za górnym punktem zwrotnym, zamiast mniej więcej 90° za górnym punktem zwrotnym, jak w silniku konwencjonalnym, i następnie przemieszcza się nieco wolniej niż w silniku konwencjonalnym w dalszej części swego suwu roboczego przed dojściem do dolnego punktu zwrotnego. Przedłużono również okres zwłoki przed dolnym punktem zwrotnym, w porównaniu z silnikiem konwencjonalnym. W przypadku potrzeby dalszego opóźnienia okresu zwłoki w dolnym punkcie zwrotnym można zmienić względny przebieg czasowy dla ruchomego członu zamocowania 26 i tłoka w przykładzie według fig. 3 i 4, co zwiększy jeszcze bardziej wolumetryczną sprawność napełnienia.

182 695

Fig. 6

182 695

Fig.3

182 695

Fig.2

182 695

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (7)

Zastrzeżenia patentowe

1. Silnik spalinowy posiadający co najmniej jeden tłok, umieszczony w cylindrze i połączony z korbowodem, przy czym korbowód jest połączony z wykorbieniem wału i jest połączony z jednym końcem podłużnego łącznika, który jest połączony z wykorbieniem w punkcie pośrednim pomiędzy jego końcami, i którego drugi koniec jest dźwignią usytuowaną pomiędzy ogranicznikami zamocowania, wychylnie wokół osi równoległej do osi wału korbowego, przy czym zamocowanie zawiera ruchomy człon zamocowania połączony z nieruchomym członem zamocowania, znamienny tym, że dźwignia (18) jest połączona suwliwie z ruchomym członem (20) zamocowania i ruchomy człon (20) zamocowania jest zamocowany wychylnie względem nieruchomego członu (24) zamocowania wokół osi (21).

2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że zamocowanie zawiera ruchomy ogranicznik (26), zamocowany przesuwnie względem nieruchomego członu (24) zamocowania w kierunku poprzecznym do długości dźwigni (18), oraz elementy sterujące przemieszczaniem ruchomego ogranicznika (26), przy czym ruchomy człon (20) zamocowania jest połączony z ruchomym ogranicznikiem (26) wychylnie wokół osi (21).

3. Silnik według zastrz. 2, znamienny tym, że elementy sterujące stanowią przynajmniej jedną krzywkę (31) współpracującą z ruchomym ogranicznikiem (26).

4. Silnik według zastrz. 3, znamienny tym, że elementy sterujące stanowią dwie identyczne krzywki (31) współpracujące przeciwsobnie z ruchomym ogranicznikiem (26), przy czym obie krzywki (31) są połączone.

5. Silnik według zastrz. 2, znamienny tym, że elementy sterujące stanowią mimośród (40) sterujący z ruchomym ogranicznikiem (26).

6. Silnik według zastrz. 2, znamienny tym, że elementy sterujące są sprzężone z wałem korbowym (7).

7. Silnik według zastrz. 2, znamienny tym, że oś (21), w centralnym położeniu swego prostoliniowego przesuwu, i oś obrotu (8) wału korbowego (7) leżą w płaszczyźnie prostopadłej do osi cylindra (2).