PL204828B1 - Dwutłokowy silnik spalinowy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest dwutłokowy silnik spalinowy to jest silnik cieplny o spalaniu wewnętrznym, w którym ruch tłoków wywołany jest ciśnieniem spalin powstających ze spalania mieszanki palnej, na przykład paliwowo-powietrznej wewnątrz cylindrów silnika, pozwalający na uzyskiwanie bardzo wysokich obrotów i na uzyskiwanie stosunkowo dużych mocy.

Znane są powszechnie silniki spalinowe tłokowe, w których pełny obieg odbywa się w czasie czterech kolejnych suwów tłoka, co odpowiada pełnemu obrotowi wału korbowego. Są to silniki czterosuwowe. Dopływ odpowiednich mediów do cylindrów jest regulowany mechanizmem rozrządu. Ważnym elementem konstrukcyjnym tych silników są zawory wlotowe i wylotowe. Silnik czterosuwowy, między innymi z uwagi na system zaworów, nie może osiągać bardzo wysokich obrotów. Znane są również powszechnie silniki spalinowe tłokowe, w których pełny obieg odbywa się w czasie dwóch kolejnych suwów tłoka, co odpowiada jednemu pełnemu obrotowi wału korbowego. Są to silniki dwusuwowe. Brak zaworów w takim silniku korzystnie wpływa na uzyskiwanie bardzo wysokich obrotów. Znane jest zgłaszającemu rozwiązanie silnika spalinowego opisanego polskim opisem patentowym nr 195052 pod tytułem „Silnik spalinowy”. Silnik spalinowy według tego rozwiązania to konstrukcja łącząca cechy silnika czterosuwowego z cechami silnika dwusuwowego. Silnik ten ma w połączonych przestrzeniach korzystnie współosiowych cylindrów umieszczone co najmniej dwa tłoki, przy czym jeden tłok pracuje w cyklu czterosuwowym a drugi tłok pracuje w cyklu dwusuwowym. Silnik ten posiada jeden wspólny dla części czterosuwowej i dwusuwowej układ zapłonu i jeden wspólny dla części czterosuwowej i dwusuwowej układ dostarczania paliwa, w miejscu którego umieszczony jest wlot dodatkowego powietrza. Denka tłoków wyprofilowane są od strony świec zapłonowych tak, że tworzona jest w tym miejscu większa wolna przestrzeń niż przy pozostałych częściach denek tych cylindrów. Silnik spalinowy według tego rozwiązania uzyskuje dużo wyższe obroty i cechuje się przy tym wysoką mocą i sprawnością. Dzięki łatwej regulacji stopnia sprężania można stosować różne paliwa do tego samego silnika.

Koncepcja dwutłokowego bezzaworowego silnika spalinowego oparta jest na skojarzeniu i wykorzystaniu zalet silników dwu- i czterosuwowego. Silnik dwusuwowy charakteryzuje się prostą konstrukcją, łatwym systemem wymiany ładunku (napełnianie świeżą mieszanką paliwowo-powietrzną, wylot spalin) i większym wskaźnikiem mocy z jednostki objętości, posiada jednak gorszy, w stosunku do silnika czterosuwowego, stopień wymiany ładunku pomiędzy kolejnymi cyklami pracy i niekorzystne wskaźniki ekologiczne. Minusem silnika czterosuwowego jest rozbudowany system zaworów i ich napęd, a więc duże straty mechaniczne oraz fakt, że na jeden cykl pracy przypadają dwa obroty wału korbowego, co w istotny sposób zmniejsza wskaźnik jednostkowej mocy.

Z opisu niemieckiego zgł oszenia patentowego nr 4323858 znana jest budowa silnika spalinowego dwutłokowego pracującego w cyklu czterosuwowym, gdzie dwa przeciwbieżne tłoki są na sztywno połączone z korbowodami, skoki obu tłoków są jednakowe. Pomiędzy cylindrami silnika dwutłokowego zabudowana jest głowica cylindra, w której umieszczone są kanały wpływowe świeżego powietrza z dodatkiem wody oraz kanały powietrza wentylującego. Wtrysk paliwa umieszczony jest w lewym tłoku i kanał ten prowadzi do przestrzeni spalania o kształcie kulistym znajdującej się w lewym tłoku. Obydwa tłoki różnią się między sobą budową denka od strony przestrzeni kompresyjnej. Tłok z lewej strony posiada otwór wtryskowy paliwa, do którego wprowadzona jest dysza oraz ponadto posiada wgłębienie o charakterystycznej budowie. Budowa i działanie silnika o takiej budowie nie umożliwiają sterowania kompresją.

Rozwiązanie zgodnie z tym opisem zgłoszenia wynalazku może być stosowane w silnikach o bardzo małej prędkości, a w praktyce nie nadaje się do wykorzystania z uwagi na dotykanie tłoków do cylindrów przy każdym ruchu stwarzając zagrożenie uszkodzenia elementów ruchomych silnika.

Z ameryka ń skiego opisu patentowego nr 1339187 znany jest dwutł okowy silnik spalinowy, gdzie tłok główny pracuje w cyklu czterosuwowym, a tłok pracujący w cyklu dwusuwowym jest tłokiem pomocniczym spełniającym rolę rozrządu. Okno wylotowe znajduje się w części dwusuwowej, a szczelina dolotowa do napeł niania przestrzeni roboczej cylindra ś wież ym ł adunkiem znajduje się w części czterosuwowej silnika.

W silniku dwutł okowym zgodnie z tym rozwią zaniem nie wystę puje faza przepł ukania cylindra, a w przestrzeni roboczej cylindra i w kanale przepł ywowym po wykonaniu pe łnego cyklu pracy pozostaje znaczna część spalin, występuje wyraźna przerwa między fazą wylotu spalin i fazą napełniania cylindra, co skutkuje ujemną pętlą ekspansji wtórnej czynnika, a w efekcie ograniczoną sprawnością

PL 204 828 B1 silnika, oraz występuje wyraźne ograniczenie ekspansji i kompresji czynnika na skutek szybszego otwarcia lub późniejszego zamknięcia odpowiednich szczelin.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji silnika spalinowego dwutłokowego, który będzie się charakteryzował efektywnym obiegiem termodynamicznym, z możliwością sterowania kompresją, wysoką sprawnością oraz wysoką wartością mocy z jednostki pojemności skokowej cylindra.

Dwutłokowy silnik spalinowy według wynalazku, w którym jeden tłok pracuje w cyklu czterosuwowym a drugi tłok pracuje w cyklu dwusuwowym, gdzie dwusuwowa i czterosuwowa część silnika posiada wspólny układ zapłonu, wspólny układ dostarczania paliwa, pomiędzy cylindrem części dwusuwowej a cylindrem części czterosuwowej umieszczony jest pierścień łączący oraz wał korbowy części dwusuwowej i wał korbowy części czterosuwowej połączone ze sobą za pomocą przekładni mechanicznej, charakteryzuje się tym, że w pierścieniu łączącym usytuowane są wtryskiwacze paliwa, świece zapłonowe i balony wyrównawcze oraz osadzone są w otworach wtryskiwacze mieszanki wodno-alkoholowej, przy czym skok tłoka części czterosuwowej jest nie większy niż 0,5-0,6 skoku tłoka części dwusuwowej. Kąt przesunięcia fazowego wału korbowego części dwusuwowej ma wartość od 40° do 50° kąta obrotu wału korbowego części dwusuwowej. W części dwusuwowej silnika umieszczone są szczeliny wylotowe i okna dolotowe tak, że otwieranie i zamykanie szczelin wylotowych odbywa się przez tłok części dwusuwowej w końcowej części skoku tego tłoka. Długość płaszcza tłoka części dwusuwowej jest taka, że przysłania szczeliny wylotowe w położeniu zwrotnym tego tłoka.

Dwutłokowy silnik spalinowy o budowie według wynalazku umożliwia sterowanie stopniem kompresji dzięki możliwości samoczynnej w czasie pracy silnika zmiany kąta przesunięcia fazowego wałów korbowych względem siebie oraz zmianę stopnia kompresji podczas pracy silnika. Silnik jest w stanie pracować zawsze ze sprawnością zbliżoną do sprawności maksymalnej dla danych warunków pracy, co wiąże się ze znacznymi ilościami zaoszczędzonego paliwa oraz pozwala na ograniczenie emisji szkodliwych substancji do środowiska. Dwutłokowy silnik spalinowy o budowie według wynalazku charakteryzuje się efektywnym obiegiem termodynamicznym, z przedłużoną ekspansją czynnika. Wymiana ładunku odbywa się w sposób ciągły podczas kompresji czynnika w cylindrze z wyraźną fazą przepłukania i rozdzieleniem fazy wylotu spalin i fazy napełniania cylindra świeżym ładunkiem. Ekspansja efektywna i kompresja efektywna czynnika są równoważne maksymalnej. Budowa dwutłokowego silnika spalinowego według wynalazku pozwala na uzyskiwanie wysokiej wartości mocy z jednostki pojemności skokowej cylindra oraz wysoką sprawność silnika ze względu na możliwość realizacji obiegu termodynamicznego z przedłużoną ekspansją czynnika. Wielką zaletą systemu pozwalającego na zmianę faz pracujących tłoków jest możliwość stosowania różnych paliw. Można zwiększyć stopień sprężania i spalać olej napędowy, a także paliwa pochodzenia roślinnego stosowane jako domieszki do paliw konwencjonalnych.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój pionowy silnika w ujęciu schematycznym, fig. 2 przedstawia przekrój poziomy silnika w ujęciu schematycznym, fig. 3 przedstawia wykres przebiegu zmiany objętości przestrzeni roboczej silnika, fig. 4 ukazuje pierścień łączący silnika w widoku perspektywicznym, fig. 5 - usytuowanie balonu wyrównawczego w pierścieniu łączącym, fig, 6 - pierścień łączący w przekroju, z zaznaczonymi otworami.

Zgodnie z fig. 1 i fig. 2 dwutłokowy silnik spalinowy posiada jeden tłok pracujący w cyklu czterosuwowym a drugi tłok pracujący w cyklu dwusuwowym. Część dwusuwowa 1 i część czterosuwowa 4 silnika posiadają wspólnym układ zapłonu i wspólny układ dostarczania paliwa. Pomiędzy cylindrem części dwusuwowej 1 a cylindrem części czterosuwowej 4 umieszczony jest pierścień łączący 7, w którym usytuowane są wtryskiwacze paliwa 23, świece zapłonowe 22 i balony wyrównawcze 2 oraz osadzone są w otworach 15 wtryskiwacze mieszanki wodno-alkoholowej.

Na rysunkach fig. 4, fig. 5 i fig. 6 przedstawiono pierścień łączący 7 z zaznaczonymi otworami. Są to otwory: otwór 12 pod wtryskiwacz paliwa 23, otwory 13 pod świece zapłonowe 22, otwory 14 pod balony wyrównawcze 21 i otwory 15 pod wtryskiwacze mieszanki wodno-alkoholowej.

Skok S₄ tłoka części czterosuwowej 5 jest równy 0,55 skoku S₂ tłoka części dwusuwowej 2. Wał korbowy części dwusuwowej 3 i wał korbowy części czterosuwowej 6 połączone są ze sobą za pomocą przekładni mechanicznej 16 tak, że kąt przesunięcia fazowego wału korbowego części czterosuwowej 6 ma wartość 45° kąta obrotu wału korbowego części dwusuwowej 3, przy czym istnieje możliwość zmian tego przesunięcia podczas pracy silnika.

PL 204 828 B1

Na rysunku fig. 2 przedstawiono między innymi układ zmiany przesunięcia fazowego 17 tłoków i napinacz łańcucha przekładni mechanicznej 18. Widoczne są koło zamachowe 19 części dwusuwowej 1 i koło zamachowe 20 części czterosuwowej 4. W części dwusuwowej 1 silnika szczeliny wylotowe 8 i okna dolotowe 9 umieszczone są tak, że otwieranie i zamykanie szczelin wylotowych 8 odbywa się przez tłok części dwusuwowej 1. Szczeliny wylotowe 8 o kształcie okrągłym zgodnie z przykładem wykonania, umieszczone są na 60% obwodu cylindra części dwusuwowej 1 w końcowej części skoku tłoka części dwusuwowej 2. Długość płaszcza tłoka części dwusuwowej 2 zapewnia przysłonięcie szczelin wylotowych 8 w położeniu zwrotnym W₂,₄ tłoka. Okno dolotowe 9 umieszczone jest w połowie skoku tłoka części dwusuwowej 2 i jego otwieranie bądź zamykanie wymuszone jest przez zawór rotacyjny 10 posiadający układ napędowy 11.

Balony wyrównawcze 21 mają za zadanie absorbować falę ciśnienia powstałą podczas wybuchu mieszanki. Ciśnienie powstałe podczas tego procesu poruszając tłok części dwusuwowej 2 i tłok części czterosuwowej 5 wykonuje pracę. Otwarta konstrukcja dyszy pozwala na wtargnięcie pewnej ilości spalin do zbiornika wyrównawczego wtryskiwacza (balonu wyrównawczego 21). Spaliny i powietrze znajdujące się w tym zbiorniku mieszają się. Tłok części dwusuwowej 2 poruszając się w kierunku dolnego martwego punktu otwiera okno wylotowe spalin, które wydostają się z komory spalania i ciśnienie obniża się. W tym czasie mieszanina spalin i sprężonego powietrza wydostaje się ze zbiornika wtryskiwacza przez dyszę i pomaga w usunięciu reszty spalin. Po wdmuchnięciu mieszaniny przez dyszę do komory spalania balon napełnia się czystym powietrzem, które pod stałym ciśnieniem doprowadzane jest do komory spalania. Zwiększające się ciśnienie w komorze spalania ogranicza ilość „wdmuchiwanego” powietrza przez dyszę, aż do zaprzestania tego procesu, czyli wyrównania ciśnień. Rozwiązanie to jest uzupełnieniem doprowadzania powietrza do komory spalania jak również prostym rozwiązaniem pozwalającym na częściową recyrkulacją spalin.

Na rysunku fig. 3 pokazano wykres przebiegu zmiany objętości przestrzeni roboczej silnika według wynalazku.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Dwutłokowy silnik spalinowy, w którym jeden tłok pracuje w cyklu czterosuwowym a drugi tłok pracuje w cyklu dwusuwowym, gdzie dwusuwowa i czterosuwowa część silnika posiada wspólny układ zapłonu i wspólny układ dostarczania paliwa, pomiędzy cylindrem części dwusuwowej a cylindrem części czterosuwowej umieszczony jest pierścień tłoczący oraz wał korbowy części dwusuwowej i wał korbowy części czterosuwowej połączone ze sobą za pomocą przekładni mechanicznej, znamienny tym, że w pierścieniu łączącym (7) usytuowane są wtryskiwacze paliwa (23), świece zapłonowe (22) i balony wyrównawcze (21) oraz osadzone są w otworach (15) wtryskiwacze mieszanki wodno-alkoholowej, przy czym skok S₄ tłoka części czterosuwowej (5) jest nie większy niż 0,5-0,6 skoku S₂ tłoka części dwusuwowej (2).

2. Dwutłokowy silnik spalinowy według zastrz. 1, znamienny tym, że kąt przesunięcia fazowego wału korbowego części czterosuwowej (6) ma wartość od 40° do 50° kąta obrotu wału korbowego części dwusuwowej (3).

3. Dwutłokowy silnik spalinowy według zastrz. 1, znamienny tym, że w części dwusuwowej (1) silnika szczeliny wylotowe (8) i okna dolotowe (9) umieszczone są tak, że otwieranie i zamykanie szczelin wylotowych (8) odbywa się przez tłok części dwusuwowej (2), przy czym szczeliny wylotowe (8) o kształcie okrągłym i/lub prostokątnym umieszczone są na więcej niż połowie obwodu cylindra części dwusuwowej (1) w końcowej części skoku tego tłoka, zaś długość płaszcza tłoka części dwusuwowej (2) jest taka, że przysłania szczeliny wylotowe (8) w położeniu zwrotnym W₂,₄ tego tłoka.