PL193128B1 - Układ chłodzenia trzonu tłoka silnika cieplnego wodzikowego, zwłaszcza silnika (54) Stirlinga oraz zespół trzonu tłoka silnika cieplnego wodzikowego, zwłaszcza silnika Stirlinga - Google Patents

Abstract

1. Układ chłodzenia trzonu tłoka silnika cieplnego wodzikowego, zwłaszcza silnika Stirlinga składający się ze zbiorników cieczy chłodzącej usytuowanych na płaszczu wodzika, z których zbiornik pierwszy połączony jest kanałem doprowadzającym ciecz chłodzącą z przelotową rurką umieszczoną wewnątrz komory wydrążonej w trzonie tłoka, przy czym komora połączona jest kanałem odprowadzającym ciecz chłodzącą z drugim zbiornikiem, usytuowanym na płaszczu wodzika, przy czym pierwszy zbiornik łączy się cyklicznie z kanałem wlotowym cieczy chłodzącej usytuowanym w ściance prowadnicy cylindrycznej, połączonym z zewnętrznym źródłem zasilania, zaś drugi zbiornik połączony jest z kanałem wylotowym cieczy chłodzącej, wykonanym w ściance prowadnicy, znamienny tym, że kanał (9) doprowadzający ciecz chłodzącą ze zbiornika (10) do zbiornika (12) połączony jest z przelotową rurką (8) poprzez zawór zwrotny (19).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ chłodzenia trzonu tłoka silnika cieplnego wodzikowego, zwłaszcza silnika Stirlinga oraz zespół trzonu tłoka silnika cieplnego wodzikowego, zwłaszcza silnika Stirlinga.

W czasie pracy silnika, efektem współpracy pierścieni uszczelniających trzon jest ciepło tarcia wywiązujące się na powierzchniach współpracujących, podwyższające ich chwilową temperaturę, co wpływa niekorzystnie na trwałość pierścieni i jakość pracy dławicy trzonu. Strumień wywiązującego się ciepła tarcia jest odprowadzany przez zastosowanie wymuszonego chłodzenia korpusu dławicy. W publikacji pt: „Silniki Stirlinga Stefana Żmudzkiego WNT 1993 r na str. 120-122 przedstawiona jest dławica, której korpus ma podwójne ścianki, a przestrzeń między nimi jest wypełniona płynem chłodzącym, którym jest olej silnikowy. Wewnętrzne przegrody umożliwiają ukierunkowanie przepływu płynu w korpusie tak, aby chłodzeniem objęta była cała wysokość dławicy. Po schłodzeniu stosu pierścieniowego olej wpływający dyszą jest natryskiwany na trzon tłoka, odbierając tą drogą pozostałą część ciepła tarcia, a następnie spływa swobodnie do miski olejowej. Utworzona na trzonie cienka powłoka oleju wymaga intensywnego zgarniania, co realizuje się za pomocą trójsegmentowych żeliwnych pierścieni zgarniających. Rozwiązanie to jednak nie zapewnia w sposób dostateczny szybkiego odprowadzania wywiązującego się ciepła w obrębie pierścieni dławicy trzonu, pogarszając jakość działania uszczelniającego. Znany wodzik silnika tłokowego Stirlinga, opisany w publikacji pt. „Silniki Stirlinga Stefana Żmudzkiego WNT 1993 r na str. 127 ma parę cylindrycznych ścianek osadzonych na korpusie, korpus ze stożkowym wspornikiem do zamocowania trzonu tłoka oraz dwie piasty dla sworznia połączenia przegubowego z głową korbowodu.

Układ chłodzenia trzonu tłoka według wynalazku składa się ze zbiornika cieczy chłodzącej usytuowanych na płaszczu wodzika, z których zbiornik pierwszy połączony jest kanałem doprowadzającym ciecz chłodzącą z przelotową rurką umieszczoną wewnątrz komory wydrążonej w trzonie tłoka, przy czym komora połączona jest kanałem odprowadzającym ciecz chłodzącą z drugim zbiornikiem, usytuowanym na płaszczu wodzika, przy czym pierwszy zbiornik posiada cykliczne połączenie z kanałem wlotowym cieczy chłodzącej usytuowanym w ściance prowadnicy cylindrycznej wodzika, połączonym z zewnętrznym źródłem zasilania, zaś drugi zbiornik połączony jest z kanałem wylotowym cieczy chłodzącej, usytuowanym w ściance prowadnicy cylindrycznej wodzika. Istota układu według wynalazku polega na tym, że kanał doprowadzający ciecz chłodzącą połączony jest z przelotową rurką poprzez zawór zwrotny.

Zespół trzonu tłoka według wynalazku, w którym trzon tłoka osadzony jest w dławicy i połączony z wodzikiem, usytuowanym w cylindrycznej prowadnicy, zaś dławica wyposażona jest w kanały cieczy chłodzącej oraz pierścienie zgarniające i uszczelniające wyróżnia się tym, że wodzik ma płaszcz cylindryczny, zaś trzon tłoka jest wydrążony wewnątrz, a w wydrążonej komorze umieszczona jest przelotowa rurka, usytuowana wzdłuż osi trzonu, która połączona jest z kanałem doprowadzającym ciecz chłodzącą, usytuowanym w denku wodzika. Kanał ten połączony jest z pierwszym zbiornikiem usytuowanym na płaszczu wodzika, przy czym zbiornik ten łączący się cyklicznie, w położeniu górnym wodzika (GMP), z kanałem wlotowym cieczy chłodzącej usytuowanym w cylindrycznej prowadnicy wodzika. Komora trzonu połączona jest z kanałem odprowadzającym usytuowanym w denku wodzika. Kanał odprowadzający połączony jest z kanałem wylotowym, odprowadzającym ciecz chłodzącą na zewnątrz.

Istota zespołu trzonu tłoka polega na tym, że w kanale doprowadzającym, znajdującym się w denku wodzika, zamontowany jest zawór zwrotny, pozwalający na przepływ czynnika chłodzącego w stronę trzonu tłoka i zamykający przepływ w kierunku odwrotnym, to jest od trzonu w stronę komory i kanału doprowadzającego. Zawór zwrotny ma postać zaworu kulkowego, w którym kulka dociskana jest sprężyną. Zbiornik cieczy chłodzącej, pierwszy zbiornik i drugi zbiornik, mają postać rowków wzdłużnych wykonanych w płaszczu wodzika, przy czym długość pierwszego rowka jest mniejsza od skoku wodzika, zaś długość drugiego rowka jest większa lub równa skokowi wodzika. Wodzik ma w górnej części, w denku, przelotowe otwory wzdłużne, zapewniające swobodną jego pracę w cylindrycznej prowadnicy, będącej elementem skrzyni korbowej, bez sprężania i rozprężania. W dolnej i górnej części płaszcza wodzika zainstalowane są zestawy pierścieni zgarniających i uszczelniających, wykonanych z tworzyw sztucznych i posiadających budowę zamkniętą lub pierścieni metalowych z przecięciem. Rurka zainstalowana w komorze trzonu jest krótsza od wysokości komory lub może mieć w górnej części, w jej ściance wykonany przelotowy otwór, dzięki czemu

PL 193 128 B1 powstaje możliwość przepływu cieczy do drugiego zbiornika przy częściowym wypełnieniu komory w trzonie tłoka.

Podczas pracy silnika, trzon tłoka poruszający się pomiędzy zwrotnymi położeniami wraz z wodzikiem jest chłodzony konwekcyjnie od wewnątrz cieczą chłodzącą, której ruch ze względu na niecałkowite wypełnienie wolnej przestrzeni odbywa się z dużą prędkością względem ścianek trzonu, pod wpływem sił bezwładności wynikających z charakterystyki ruchu postępowo-zwrotnego wodzika. W zależności od potrzeby, jako czynnik chłodzący może być wykorzystana dowolna ciecz charakteryzująca się dobrymi właściwościami cieplnymi, określonymi przez współczynnik przewodności cieplnej, współczynnik pojemności cieplnej, oraz właściwościami smarującymi. Może to być olej silnikowy, rozcieńczalnik, mieszanina cieczy, emulsja olejowa, woda i temu podobne. Pozostałe na trzonie resztki oleju zgarniane są przez pierścienie zgarniające, zaś chłodzenie od wewnątrz trzonu tłoka pozwala na intensywne odprowadzenie ciepła tarcia, co wpływa korzystnie na prace zespołu dławicy i jej trwałość. Pierścienie zgarniające i uszczelniające zapobiegają przeciekom cieczy chłodzącej do skrzyni korbowej. Dzięki zróżnicowanym długością rowków wzdłużnych ciecz chłodząca dopływa do trzonu okresowo, z przerwami, zaś wypływ cieczy jest ciągły. Powoduje to, że wolna przestrzeń w trzonie i rurce nie jest wypełniona całkowicie cieczą chłodzącą, przez cały okres ruchu postępowo-zwrotnego wodzika. Dzięki zastosowaniu zaworu zwrotnego w kanale doprowadzającym czynnik chłodzący zostaje wyeliminowany przepływ zwrotny czynnika chłodzącego z trzonu do otworu zasilającego, który może wystąpić w czasie ruchu mechanizmu korbowego w okolicy dolnego martwego punktu (DMP) w wyniku osiągnięcia wysokiej wartości składowej ciśnienia dynamicznego w słupie cieczy chłodzącej, znajdującego się wewnątrz trzonu tłoka. Taki przepływ zwrotny może powodować zmniejszenie strumienia masy płynu chłodzącego przepływającego przez trzon.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia trzon tłoka z dławicą i wodzikiem, w przekroju wzdłuż osi trzonu, fig. 2 przedstawia trzon tłoka w przekroju poprzecznym w płaszczyźnie A-A na fig. 1, fig. 3 -w powiększeniu fragment rurki zainstalowanej w komorze trzonu, w przekroju osiowym.

Przykład I

Układ chłodzenia składa się ze zbiornika cieczy chłodzącej, pierwszego zbiornika 10i drugiego zbiornika 12, usytuowanych na płaszczu wodzika 5, z których zbiornik pierwszy połączony jest kanałem doprowadzającym 9, usytuowanym w denku wodzika, z przelotową rurką 8 umieszczoną wewnątrz komory 7 trzonu tłoka 1. Komora 7 trzonu połączona jest kanałem odprowadzającym 11, usytuowanym w denku wodzika, z drugim zbiornikiem 12. Pierwszy zbiornik 10 łączy się cyklicznie, korzystnie w górnym położeniu tłoka (GMP), z otworem wlotowym 13 wykonanym w ściance prowadnicy cylindrycznej 6, połączonym z zewnętrznym źródłem zasilania w oleju chłodzącym. Drugi zbiornik połączony jest otworem wylotowym 14 oleju chłodzącego usytuowanym w ściance dolnej części prowadnicy cylindrycznej 6, przez który to otwór olej chłodzący odprowadzany jest na zewnątrz. Doprowadzony pod ciśnieniem, przez kanał wlotowy 13 olej chłodzący podawany jest do zbiornika 10, skąd kanałem doprowadzającym 9 podawany jest poprzez zawór zwrotny 19 do rurki 8. Olej wydobywa się przez górny otwór rurki i przechodzi do komory 7, skąd kanałem odprowadzającym 11, przedostaje się do zbiornika 12, a stamtąd przez kanał wylotowy 14 odprowadzany jest na zewnątrz, gdzie podlega schłodzeniu i ponownie wpływa do układu. Krążący w układzie olej odbiera i odprowadza na zewnątrz ciepło wytworzone w czasie pracy trzonu tłoka i zespołu wodzika.

P rzykł ad II

Trzon 1 tłoka umieszczony jest w dławicy 2 oddzielającej cylinder roboczy od cylindra skrzyni korbowej. W dławicy 2 znajduje się zespół pierścieni uszczelniających dławicy 3 i zespół pierścieni zgarniających dławicy. Dławica zaopatrzona jest w kanały 4, w których krąży ciecz chłodząca. Kanały te są usytuowane w pobliżu zewnętrznej płaszczyzny dławicy, oddalonej od trzonu. Dolny koniec trzonu 1 tłoka połączony jest z wodzikiem 5 umieszczonym w cylindrycznej części skrzyni korbowej, stanowiącej prowadnicę 6 wodzika. Wodzik 5 ma cylindryczny płaszcz i denko płaskie 5a. Trzon 1 tłoka jest wydrążony wewnątrz tak, że utworzona jest komora 7. W komorze 7 umieszczona jest przelotowa rurka 8, usytuowana wzdłuż osi trzonu, a wnętrze rurki połączone jest z kanałem doprowadzającym 9 ciecz chłodzącą, wykonanym w denku 5a wodzika. Kanał 9 połączony jest z pierwszym zbiornikiem cieczy chłodzącej 10, który ma postać wzdłużnego rowka, wykonanego na płaszczu wodzika 5. Komora 7 trzonu połączona jest kanałem odprowadzającym 11z drugim zbiornikiem cieczy chłodzącej 12 mającym postać rowka wzdłużnego, wykonanego na płaszczu wodzika 5.

PL 193 128B1

Pierwszy rowek wzdłużny 10 posiada długość L2 równą skokowi S wodzika. W części dolnej cylindrycznej prowadnicy 6 wykonane są dwa przelotowe otwory, z których jeden stanowi kanał wlotowy 13 cieczy chłodzącej, a drugi otwór stanowi kanał wylotowy 14, przez który ciecz chłodząca jest odprowadzana na zewnątrz. W górnym położeniu tłoka (GMP) otwór wlotowy 13 połączony jest ze zbiornikiem 10i ciecz podawana z zewnętrznego źródła pod ciśnieniem wypełnia zbiornik i przez kanał 9 i zawór zwrotny 19 wypełnia rurkę 8 wewnątrz komory 7 trzonu, wydostaje się przez jej górny otwór i wypełnia komorę 7 oraz kanał odprowadzający 11, którym podawana jest do zbiornika 12, a stamtąd do kanału wylotowego 14,na zewnątrz skrzyni korbowej. Krążący w mechanizmach olej odbiera ciepło tarcia, co pływa korzystnie na trwałość elementów dławicy i trzonu tłoka, zwłaszcza pierścieni uszczelniających i zgarniających. Celem utrzymania parametrów cieczy chłodzącej górna i dolna część wodzika jest uszczelniona zestawem pierścieni uszczelniających 15 i zgarniających 16. Pierścienie uszczelniające i zgarniające są wykonane z tworzywa kompozytowego PTFE lub innego elastomeru i posiadają budowę zamkniętą. Pierścień zgarniający 16 usytuowany w górnej części wodzika jest metalowy i ma zamek z ekspanderem w postaci sprężyny śrubowej. Pierścienie te zapobiegają przeciekom płynu chłodzącego do skrzyni korbowej. Wodzik posiada w części górnej przelotowe otwory 17 zapewniające swobodną jego pracę w skrzyni korbowej, bez sprężania i rozprężania. Rurka 8 jest krótsza od wysokości komory 7 w trzonie, dzięki czemu powstaje możliwość przepływu cieczy do kanału wylotowego 14, z pozostawieniem części objętości między rurką, a trzonem nie wypełnionej cieczą chłodzącą.

Przykład III

Zespół trzonu tłoka analogiczny do przykładu II z tym, że rurka 8 ma w górnej części, w ściance przelotowy otwór 18, którym ciecz chłodząca przedostaje się do wnętrza komory 7.

Claims (7)

1. Układ chłodzenia trzonu tłoka silnika cieplnego wodzikowego, zwłaszcza silnika Stirlinga składający się ze zbiorników cieczy chłodzącej usytuowanych na płaszczu wodzika, z których zbiornik pierwszy połączony jest kanałem doprowadzającym ciecz chłodzącą z przelotową rurką umieszczoną wewnątrz komory wydrążonej w trzonie tłoka, przy czym komora połączona jest kanałem odprowadzającym ciecz chłodzącą z drugim zbiornikiem, usytuowanym na płaszczu wodzika, przy czym pierwszy zbiornik łączy się cyklicznie z kanałem wlotowym cieczy chłodzącej usytuowanym w ściance prowadnicy cylindrycznej, połączonym z zewnętrznym źródłem zasilania, zaś drugi zbiornik połączony jest z kanałem wylotowym cieczy chłodzącej, wykonanym w ściance prowadnicy, znamienny tym, że kanał (9) doprowadzający ciecz chłodzącą ze zbiornika (10) do zbiornika (12) połączony jest z przelotową rurką (8) poprzez zawór zwrotny (19).

2. Zespół trzonu tłoka silnika cieplnego wodzikowego, zwłaszcza silnika Stirlinga, w którym trzon tłoka osadzony jest w dławicy i połączony jest z wodzikiem, usytuowanym w cylindrycznej prowadnicy, zaś dławica wyposażona jest w kanały cieczy chłodzącej oraz pierścienie zgarniające i uszczelniające, przy czym wodzik ma płaszcz cylindryczny, zaś trzon tłoka jest wydrążony wewnątrz, a w jego wydrążonej komorze umieszczona jest przelotowa rurka, usytuowana wzdłuż osi trzonu, która połączona jest kanałem doprowadzającym ciecz chłodzącą, usytuowanym w denku wodzika, który to kanał połączony jest z pierwszym zbiornikiem usytuowanym na płaszczu wodzika, przy czym komora trzonu połączona jest kanałem odprowadzającym ciecz chłodzącą, usytuowanym w denku wodzika i połączonym z drugim zbiornikiem usytuowanym na płaszczu wodzika, zaś zbiornik, łączy się cyklicznie z kanałem wlotowym cieczy chłodzącej, usytuowanym w ściance cylindrycznej prowadnicy, zaś zbiornik połączony jest z kanałem wylotowym cieczy chłodzącej, usytuowanym w ściance cylindrycznej prowadnicy, znamienny tym, że ma zawór zwrotny (19) w kanale doprowadzającym (9) ciecz chłodzącą ze zbiornika (10) do zbiornika (12), poprzez przelotową rurkę (8), przy czym kanał doprowadzający (9) usytuowany jest w denku wodzika (5).

3. Zespół trzonu tłoka według zastrz. 2, znamienny tym, że zbiorniki cieczy chłodzącej (10) i (12) mają postać rowków wzdłużnych wykonanych w płaszczu wodzika (5), przy czym długość (L1) pierwszego rowka (10) jest mniejsza od skoku (S), zaś długość (L2) drugiego rowka (12) jest większa lub równa skokowi wodzika (S).

4. Zespół trzonu tłoka według zastrz. 2, znamienny tym, że wodzik (5) ma w denku (5a) przelotowe otwory (17) wzdłużne.

PL 193 128 B1

5. Zespół trzonu tłoka według zastrz. 2, znamienny tym, że w dolnej i górnej części płaszcza wodzika (5) zainstalowane są pierścienie zgarniające (16) i uszczelniające (15).

6. Zespół trzonu tłoka według zaostrz. 2, znamienny tym, że w górnej części rurki (8), w jej ściance wykonany jest przelotowy otwór (18).

7. Zespół trzonu tłoka według zastrz. 2, znamienny tym, że zawór (19) jest zaworem kulkowym.