PL207919B1 - Silnik o spalaniu wewnętrznym z komorą akumulacyjną - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest silnik o spalaniu wewnętrznym z komorą akumulacyjną o podwyższonej sprawności i ograniczonej emisji toksycznych spalin. Od znanych silników różni się tym, że w gł owicę ma wbudowaną komorę akumulacyjną (pneumatyczny akumulator).

Znane są akumulatory hydrauliczne służące do gromadzenia energii hydraulicznej. Energia ta jest akumulowana najczęściej w postaci energii sprężystości ciała stałego lub gazu. Budowane są w wersji z tł okiem, przeponowe i pę cherzowe. Pozwalają na zmniejszenie pulsacji ciś nienia w instalacji, tłumią drgania, umożliwiają działanie układu przez pewien czas np. w przypadku awarii, oddając zgromadzoną energię. [„Napęd i Sterowanie Hydrauliczne Z. Szydelski. WKŁ. 1999].

Akumulatorami energii pneumatycznej są butle ze sprężanym gazem, stosowane w układach rozruchowych dużych silników spalinowych, w układach hamulcowych dużych samochodów, pojazdów szynowych, itp.

Znane są silniki o zmiennym stopniu sprężania w funkcji obciążenia, np: Waukesha, HispanoSuiza, Biceri, [„Silniki Spalinowe z Turbodoładowaniem Cz. Kordziński, T. Środulski, WNT, 1970], najczęściej są to silniki stosowane do badań olejów napędowych.

Znane są problemy ze zmniejszaniem, ograniczaniem toksyczności spalin. Zostały dopracowane różne sposoby spalania paliwa w silnikach iskrowych i wysokoprężnych np.: zasilanie mieszanką uwarstwioną. Generalnie dąży się do spalania ubogich mieszanek paliwa z powietrzem i obniżanie temperatury spalania, w tych warunkach występuje najmniejsza emisja szkodliwych zanieczyszczeń (CO,Nx).

W USA rozwijana jest technologia HCCl (homogeneous - charge compression - ignition combustion). [„Spalinowy Silnik Przyszłości Świat Nauki. Sierpień 2001], która polega na samoczynnym sprężeniowym zapłonie jednorodnej mieszanki. Silniki budowane wg tej metody cechuje mała emisja spalin i niskie zużycie paliwa. Proces spalania HCCl pozwala stosować wysokie stopnie sprężania jak w Dieslu, więc i sprawność tych silników jest wysoka. Problemem, który stanowi przeszkodę w dalszym rozwoju tego silnika są trudności w opanowaniu pracy przy zmiennych warunkach i większych obciążeniach.

Podwyższanie stopni sprężania w silnikach wysokoprężnych nie daje już przyrostu sprawności, rosnące straty mechaniczne przewyższają korzyści. Wysokie ciśnienia pracy wymagają budowy sztywnych, ciężkich konstrukcji. Wzrasta również twardość pracy i głośność pracy silników, dlatego podnoszenie stopni sprężania zatrzymało się na wartości 23:1 i rzadko jest wyższe.

W silnikach iskrowych maksymalne stopnie sprężania mają wartość 11:1. co ograniczone jest niekontrolowanym spalaniem (stukowe, powierzchniowe itp.). Obecne zużycie paliwa w najlepszych samochodach osobowych z silnikami iskrowymi wynosi 7 litrów na 100 km w warunkach pozamiejskich, natomiast w konstrukcjach z wtryskiem paliwa zbliża się do 5 litrów na 100 km, silniki te jednak sposobem pracy zbliżają się do Diesla. W silnikach wysokoprężnych maksymalne stopnie sprężania zatrzymały się na wartości 23:1. Zużycie paliwa samochodów osobowych z tymi silnikami o porównywalnym ciężarze w jeździe pozamiejskiej zbliża się do 4 litrów na 100 km. Można więc przyjąć, że podwojenie stopnia sprężania w silnikach wysokoprężnych zaowocowało 35-40% zmniejszeniem zużycia paliwa.

Celem wynalazku jest umożliwienie budowy silników spalinowych z dużym, w stosunku do Diesla - nawet podwojonym stopniem sprężania. Przy utrzymaniu na tym samym poziomie maksymalnego ciśnienia spalania, podobnych obciążeniach i sprawności mechanicznej, takich samych jak w znanych silnikach o stopniu sprężania 23:1. Daje to znaczne podniesienie sprawności i znaczą ce zmniejszenie zużycia paliwa. Przy odpowiednim doborze parametrów komory akumulacyjnej i silnika, znacznym zmniejszeniem emisji szkodliwych zanieczyszczeń (dwutlenku węgla, tlenku węgla, tlenków azotu, węglowodorów i sadzy).

Cel ten został osiągnięty przez wstawienie, najkorzystniej w głowicę modernizowanego silnika spalinowego, komory akumulacyjnej zmieniając odpowiednio konstrukcję głowicy i tłoków. Zmiany związane z zastosowaniem wynalazku można wprowadzić w silnikach iskrowych i w silnikach z zapłonem samoczynnym, dwu- i czterosuwowych, w silnikach małych i bardzo dużych mocy, również doładowanych oraz w silnikach zasilanych różnymi paliwami płynnymi i gazowymi. Korzystna jest przebudowa już pracujących silników spalinowych.

Silnik o spalaniu wewnętrznym z komorą akumulacyjną według wynalazku cechuje się tym że najkorzystniej w głowicę silnika ma wbudowaną komorę akumulacyjną, składającą się z elementów

PL 207 919 B1 takich jak: cylinderek tłoczek, elementy uszczelniające, element sprężysty umieszczony nad tłoczkiem, układ zasilający (w wersji z poduszką powietrzną) i hamulec - amortyzator pneumatyczny, wmontowanie której umożliwia podniesienie stopnia sprężania, korzystnie do wartości 40:1 lub więcej, na skutek czego w suwie sprężania i spalania występuje zjawisko akumulacji energii i amortyzacji szybkich impulsów wzrostu ciśnienia przez ustępujący tłoczek, pod którym spala się wirujące, wtryskiwane paliwo zmieszane z powietrzem lub wybucha jednorodna mieszanka a impulsy szczytowe ciśnienia są spłaszczane, nadmiar energii ponad założoną wartość maksymalnego ciśnienia spalania jest magazynowany w sprężynie lub w poduszce powietrznej komory akumulacyjnej i później oddawany przy korzystniejszym kącie położenia korbowodu, podtrzymując ciśnienie w komorze spalania.

W silniku wedł ug wynalazku, przez dobór ciś nienia począ tkowego poduszki powietrznej lub naprężenia wstępnego sprężyny możliwe jest optymalizowanie momentu zadziałania komory akumulacyjnej, natomiast dobierając stosunek objętości poduszki powietrznej do objętości komory spalania pod tłoczkiem, lub odpowiednio dobierając sprężynę w stosunku do siły działającej na tłoczek przez sprężane powietrze gdy tłok silnika jest w GMP, uzyskujemy korzystną charakterystykę pracy komory akumulacyjnej, a zmieniając płynnie w pewnych granicach ciśnienie początkowe w poduszce powietrznej lub naprężenie wstępne sprężyny, uzyskujemy zmienny stopień sprężania dobierany w zależności od występującego obciążenia silnika.

W silniku według wynalazku, w dolnej części cylinderka i tłoczka (gdy znajduje się w dolnej pozycji), pomiędzy cylindrycznymi ściankami tworzy się szczelina przelotowa, dobieraniem szerokości i dł ugoś ci tej szczeliny regulujemy skuteczność hamowania tł oczka, stoż kowa powierzchnia cylinderka i kulista powierzchnia tłoczka tworzą szczelny zawór, a na dolnej powierzchni cylinderka są ukośne nacięcia, które wymuszają korzystne zawirowanie wtłaczanego do komory akumulacyjnej powietrza, przy czym w górnej części tłoczek ma wybranie w celu zapewnienia małej bezwładności i szybkiej reakcji komory akumulacyjnej.

Wynalazek jest bliżej objaśniony z odniesieniem do przykładów realizacji w oparciu o załączone rysunki.

Figura 4 przedstawia przykład komory akumulacyjnej. Jest to akumulator szczytowej energii w suwie spalania. Zaprojektowany w taki sposób, że w elemencie sprężystym magazynuje nadmiar energii i nie dopuszcza do przekroczenia przez ciśnienie maksymalne spalania założonej wartości. Oddaje zmagazynowaną energię przy korzystniejszym położeniu wału karbowego, starając się podtrzymać ciśnienie nad tłokiem. Komora akumulacyjna składa się z odpowiednio ukształtowanej obudowy - cylinderka (1) mieszczącego tłoczek (2) z elementami uszczelniającymi (3) i elementu sprężystego (4). Elementem sprężystym może być odpowiednio dobrana metalowa sprężyna lub poduszka powietrzna wraz z układem zasilającym (5), uzupełniającym powietrze pod odpowiednim ciśnieniem wstępnym - początkowym. Odpowiedni silnik pompy powietrza jest zasilany - korzystnie - z elektrycznego akumulatora. Przed uruchomieniem silnika spalinowego, najpierw uzupełnia ubytki ciśnienia, rozprowadzając sprężone powietrze przewodami do wszystkich cylinderków w silniku. Komora akumulacyjna posiada też strefę amortyzatora, hamulca pneumatycznego (6), którą tworzą dwie współpracujące stożkowe powierzchnie (8) na cylinderku i tłoczku wraz ze szczeliną (7) regulującą skuteczność hamulca. Komory akumulacyjne mogą mieć różne konstrukcje. Od średnicy tłoczka równej średnicy tłoka fig. 5 w wersji gdy elementem sprężystym jest metalowa sprężyna i fig. 6, gdy mamy poduszkę powietrzną. W tych wersjach tłoczki wykonują mały ruch posuwisto-zwrotny przy występowaniu dużych sił przenoszonych przez element sprężysty. Następnie średnich przedstawionych na fig. 7, 8 i 9 jako przykłady rozwiązań łatwiejszych do technicznego opanowania. Korzystnie jest gdy średnice tłoczka komory akumulacyjnej maleją, mniejsza średnica komory ułatwia wmontowanie jej między zaworami silnika. Występują także mniejsze siły, kosztem wydłużonej drogi tłoczka.

Cylinderek i tłoczek komory akumulacyjnej może być wykonany z zastosowaniem typowych materiałów, dobry ich dobór uniemożliwia zakleszczanie się tłoczka. Korzystnym byłoby zastosowanie najnowszych technologii, np. wykonanie tłoczka i pierścieni uszczelniających z ceramiki węglowej a cylinderek z materiałów kompozytowych, służących jako wykładzina stalowych cylindrów. Takie zestawienie daje współczynnik tarcia zaledwie 0,008 bez potrzeby smarowania, wpływa na zwiększenie trwałości i daje możliwość pracy układu w bardzo wysokich temperaturach. [www.enginion.com.].

Przedstawiony akumulator pneumatyczny zastosowany w proponowanych rozwiązaniach magazynuje i oddaje energię w ułamkach sekundy, więc zalecana jest mała masa tłoczka. Tłoczek rozdziela z jednej strony przestrzeń nad głowicą (gdy elementem sprężystym jest metalowa sprężyna), z drugiej strony - w pierwszej fazie mieszankę, później gorące palące się gazy a następnie spaliny

PL 207 919 B1 i w koń cu zasysane powietrze lub mieszankę . W przypadku gdy elementem sprężystym jest poduszka powietrzna, nad tłoczkiem mamy sprężone powietrze a pod tłoczkiem tak jak wyżej wymienione. Powietrze z przedmuchów przez uszczelnienia tłoczka bierze udział w spalaniu. Przedmuchy są jednak niewielkie, ponieważ ciśnienia z obu stron tłoczka (w strefie ciśnień maksymalnych) są do siebie zbliżone, i nieustannie wyrównywane dynamiczną reakcją tłoczka. Przez pozostałą część cyklu pracy tłoczek jest mocno przyciśnięty do szczelnej stożkowej powierzchni (8) ciśnieniem początkowym poduszki powietrznej, rzędu około połowy lub pełnego wyliczonego ciśnienia sprężania w cylindrze, mierzonego bez zapłonu (bez wtrysku paliwa).

Pełne zrozumienie wynalazku umożliwi poznanie kilku przykładowych konstrukcji silników wykonanych z zastosowaniem komory akumulacyjnej.

Żeby lepiej zobrazować cechy silników zmodernizowanych wg patentu, będą używane jednocześnie takie parametry jak stopień sprężania, ciśnienie w końcu sprężania oraz maksymalne ciśnienie spalania.

Proponowany wg wynalazku nowy cykl spalania i jego skutki będą omówione dokładnie na pierwszym przykładzie silnika wysokoprężnego z komorą akumulacyjną, pokazanego na tle równoważnego, konwencjonalnego silnika Diesla. Wykres 1 pokazuje przykład rozwiązania, na którym linią kropkowaną jest przedstawiony konwencjonalny silnik o parametrach: st. spr. 23:1, P spręż. ~ 5 Mpa i Pmax. ~ 10 Mpa o dowolnej mocy. Punkt (a) pokazuje orientacyjny początek wtrysku paliwa, punkt (b) moment zapłonu i (c) koniec wtrysku. Na tle tego wykresu linią ciągłą jest pokazany indykatorowy wykres obrazujący jaka nastąpi zmiana gdy wstawimy w głowicę tego silnika komorę akumulacyjną. Komorę akumulacyjną można wstawić na wiele sposobów fig. 10a, b, c, d. Można ją wmontować tak jak w dwuzaworowym (na tłok) silniku przedstawionym na fig. 8, gdy elementem sprężystym jest metalowa sprężyna, lub na fig. 9 z poduszką powietrzną. Można ją także zastosować w sposób przedstawiony na fig. 2, gdy silnik ma cztery zawory na tłok, wtedy kształt komory akumulacyjnej może mieć kształt i wygląd jak na fig. 1.

Nowy cykl pracy z wstawioną komorą wg wynalazku jest pokazany na fig. 11. Przedstawia cztery fazy pracy. Faza (A) pokazuje suw ssania. Tłok wykonuje ruch w dół i cylinder napełnia się powietrzem, następnie przesuwając się w górę spręża powietrze, w fazie (B) widać konstrukcję tłoka i głowicy tak zmienioną, że szczelina między nimi została zmniejszona do maksimum na ile tylko pozwala technologia wykonania (luzy, rozszerzalność cieplna elementów, itp.). Przyjmując, że ciśnienie początkowe powietrza w komorze akumulacyjnej nad tłoczkiem jest równe około połowy ciśnienia sprężania ~ 2,5 Mpa, więc przed GMP w momencie gdy nad tłokiem ciśnienie przekroczy wartość 2,5 Mpa, zadziała tłoczek komory akumulacyjnej i zacznie się podnosić do góry równoważąc ciśnienia z obu stron. Konstruując komorę akumulacyjną trzeba tak dobrać średnicę komory i objętość nad tłoczkiem, przy założeniu ciśnienia początkowego równemu połowie P spręż., by - gdy tłok silnika będzie w GMP - tłoczek (2) ustalił dwie komory o objętości każdej zbliżonej do objętości nad tłokiem w silniku konwencjonalnym o tym samym stosunku sprężania, w tej samej pozycji tłoka. Wtedy ciśnienia z obu stron wyniosą ~ 5 Mpa. Przed dotarciem tłoka do GMP następuje wtrysk paliwa (najlepiej w komorę akumulacyjną, pod tłoczek), podobnie jak w Dieslu z odpowiednim wyprzedzeniem by zapłon nastąpił blisko GMP. Następuje samozapłon i pojawia się nowa sytuacja, ciśnienie narasta o połowę wolniej niż w porównywanym Dieslu, ponieważ w komorze spalania pojawił się element „podatny. Tłoczek wyrównując ciśnienia powiększa komorę spalania, sprężając jednocześnie powietrze nad tłoczkiem. Ten moment uwidacznia faza (C). Ciśnienia nad i pod tłoczkiem przez moment osiągają maksymalną wartość. Pmax. ~ 7,5 Mpa. A więc dużo mniej niż Pmax. w porównywanym silniku konwencjonalnym. Nadmiar energii został zmagazynowany w akumulatorze, jakim jest tu poduszka powietrzna nad tłoczkiem. Następuje suw pracy i teraz rozprężająca się poduszka powietrzna, przepychając tłoczek stara się podtrzymać ciśnienie w komorze spalania i oddaje zmagazynowaną energię. Oddając energię spalania i sprężania wraca w pierwotne położenie i tu jest wyhamowana przez hamulec pneumatyczny przedstawiony przykładowo na fig. 4 (6). Skuteczność hamowania można regulować dobierając szerokość i długość szczeliny (7), którą przepływają spaliny. Przed dolnym punktem zwrotnym tłoka otwiera się zawór wydechowy i następuje suw wydechu, faza (A). Ewentualne ubytki powietrza nad tłoczkiem są uzupełniane przez układ zasilający (5), zaworem w górnej pokrywie komory z poduszką powietrzną. Tłoczek komory akumulacyjnej jest dociskany dużą siłą. Wypierane przez tłok spaliny nie są w stanie go popchnąć do góry. Gdy tłok dochodzi do GMP, korzystnie niemal całkowicie opróżnia ze spalin cylinder. Dzięki temu następuje prawie pełna wymiana ładunku.

PL 207 919 B1

Upraszczając i zakładając że ciśnienie sprężania wynosi ~ 5 Mpa, można by przyjąć taki tok rozumowania: 1) gdyby komory akumulacyjnej nie było, po spaleniu odpowiedniej ilości paliwa ciśnienie zwiększyłoby się do ~ 10 Mpa. 2) gdyby utrzymać stałe ciśnienie po spaleniu tej samej dawki paliwa objętość komory spalania musiałaby na moment wzrosnąć dwukrotnie. W silniku wg patentu występują stany pośrednie - w kontrolowany sposób zwiększa się objętość i jednocześnie rośnie odpowiednio ciśnienie spalania, stosunek do siebie tych wartości zależy od parametrów - charakterystyki pracy komory akumulacyjnej. Punkt (d) na wykr. 1 pokazuje moment zadziałania akumulatora, jednocześnie od tego momentu pochyla się w lewo oś P, odchylenie obrazuje zwiększającą się objętość komory akumulacyjnej co ma miejsce w cylinderku pod tłoczkiem, poza komorą spalania silnika. Wyżej na poziomie (a) zaczyna się wtrysk paliwa, na poziomie punktu (b) następuje samozapłon i szybki wzrost ciśnienia, ale poddający się tłoczek (2) w komorze akumulacyjnej nie pozwala by ciśnienie wzrosło wyżej niż ~7,5 Mpa. Dalej następuje ruch tłoka w dół i przez moment ciśnienie jest podtrzymywane przez spalające się wtryskiwane paliwo. Zakończenie wtrysku w okolicach kreskowanej strzałki to również przybliżony moment początku oddawania przez akumulator zmagazynowanej energii, które odbywa się jednocześnie wraz z dopalaniem resztek paliwa w cylindrze. Pod wykresem umieszczono przesunięte skale pokazujące punkt GMP. Widać wyraźnie że energia z akumulatora jest oddawana przy korzystniejszym kącie położenia wału korbowego.

Podsumowując, nowy cykl pracy i zmiany wg wynalazku nie przyniosły przyrostu mocy ale wyciszyły pracę silnika, obniżyły obciążenia wału karbowego (zwiększyło to trwałość silnika), zwiększyły moment na wale korbowym, zdecydowanie polepszyły wymianę ładunku i w mniejszym stopniu sprawność. Przedstawiony przykład miał pokazać jakich zmian powinniśmy spodziewać się po modernizacji typowego silnika spalinowego wg proponowanego sposobu.

Gdy w przedstawionym wcześniej konwencjonalnym silniku podniesiemy stopień sprężania np.: do 32:1, na wykr. 2 linia kreskowana pokaże nam zmiany jakie wystąpią na tle tego samego silnika przed zmianą (linia kropkowana) ciśnienie Pmax wzrośnie do > 13 MPa. Aby silnik mógł wytrzymać wyższe ciśnienia należałoby go mechanicznie wzmocnić. Byłoby to działanie nieracjonalne, gdyż przy takim wzroście ciśnienia wzrost strat mechanicznych jest większy niż przyrost sprawności.

Drugi przykład obrazuje wykr. 2. Na tle wykresów silników typowych, przed zmianą (kropkowana) i po podniesieniu st. spręż, do 32:1 (kreskowana), wyraźnie widać (linia ciągła) pozytywne efekty zmienionego cyklu pracy. Przyjmujemy że odpowiednio wyliczoną komorę akumulacyjną wmontowano w typowy silnik z podniesionym stopniem sprężania jw. 32:1 i założono że akumulator ma zadziałać przy ciśnieniu zbliżonym do ciśnienia sprężania tego silnika ~ 6.8 MPa. Figura 2 przedstawia taki silnik w wersji czterozaworowej. Zgodnie z wcześniej przyjętymi założeniami ciśnienie początkowe poduszki powietrznej nad tłoczkiem wynosi ~ 6.8 MPa. Objętość komory nad tłoczkiem powinna być równa objętości komory spalinowej pod tłoczkiem, gdy tłok silnika jest w GMP. Analizując wykr. 2, punkt (a) pokazuje przybliżony moment początku wtrysku, dobiera się go - uwzględniając zjawisko opóźnienia zapłonu - tak aby zapłon wypadał w pobliżu punktu (b), blisko GMP silnika. Następuje samozapłon i szybkie spalanie, równocześnie tłoczek akumulatora zaczyna ustępować magazynując nadwyżkę energii. Sygnalizuje to obrazowo odchylenie się osi P (pośrednio informuje nas o tym, że punkt 0% na osi V przesuwa się trochę w lewo, poza układ). Ciśnienie rośnie i ustala się na poziomie ~ 10 MPa, w tym samym momencie ciśnienie nad tłoczkiem także ma wartość ~10 MPa. Tłok silnika zaczyna suw pracy i mimo że objętość komory spalania zaczyna rosnąć, ciśnienie jeszcze przez chwilę jest podtrzymywane przez palące się wtryskiwane paliwo a później przez oddawaną energię z akumulatora i dopalające się paliwo.

Podobny efekt uzyskujemy w trzecim przykładzie zastosowania, przedstawionym na wykr. 3 i fig. 3. Modyfikacja polega na zmniejszeniu ciśnienia początkowego do wartości ~ 2/3 ciśnienia sprężania tj. ~ 4.5 MPa. Figura 3 przedstawiona jest w trzech fazach pracy. Faza (A) pokazuje akumulator z tłoczkiem w pozycji dolnej, gdy ciśnienie w komorze spalania jest niskie, (ma to miejsce w końcowej części suwu pracy, suwie wydechu, ssania i początku suwu sprężania). Faza (B) przedstawia moment sprężania w GMP bez zapłonu, gdy ciśnienia i objętości obu komór są mniej więcej sobie równe. W tłoku silnika, pod komorą akumulacyjną może być owalne wydrążenie, zaznaczone na rysunku linią kreskowaną i pokazane dokładnie na wycinku (D). W zagłębienie to wtryskiwane jest paliwo (strzałka). Jednocześnie unoszący się tłok silnika wciska w komorę akumulacyjną sprężane powietrze a ukośne nacięcia zrobione na dolnej powierzchni cylinderka fig. 4(9) wymusza mocne zawirowanie. Powietrze dokładnie miesza się z wtryskiwanym paliwem i wirując spala się wypierając tłoczek, a gdy tłok silnika zacznie suw pracy, wirujący płomień jest wypychany przez poduszkę powietrzną do komory spalania

PL 207 919 B1 silnika, gdzie miesza się i dopala z resztą powietrza. Korzystną byłaby wersja silnika z wtryskiem paliwa do środka komory akumulacyjnej, bezpośrednio pod tłoczek. Faza (C) przedstawia moment szybkiego spalenia się wtryśniętego paliwa, w pobliżu GMP. Analizując wykr. 3 trzeba zwrócić uwagę na odchylenie się osi P, następuje ono wcześniej w punkcie (d), ciśnienie początkowe poduszki powietrznej wynosi w tej wersji ~ 4,5 MPa. W punkcie (a) zaczyna się wtrysk z odpowiednim wyprzedzeniem, w punkcie (b) następuje samozapłon. W momencie samozapłonu ciśnienie poduszki ma wartość ~ 6,8 MPa i szybko rośnie, równocześnie cały czas część energii magazynowana jest w akumulatorze. Wzrost ciśnienia zatrzymuje się na wartości ~ 10 MPa nie przekraczając ciśnienia maksymalnego, na jakie został zaprojektowany typowy silnik. Następnie tłok silnika rusza wykonując suw pracy. Punkt (c) pokazuje moment, w którym po ustaniu wtrysku paliwa, akumulator zaczyna oddawać zmagazynowaną energię.

Podsumowując te dwa kolejne przykłady, widać że przebudowa typowego silnika wg wynalazku i podniesienie stopnia sprężania, przynosi znaczący wzrost sprawności i mocy. Modernizacja daje podobny efekt jak wprowadzenie doładowania w typowych silnikach spalinowych. W trzecim przykładzie uzyskano kolejną dodatkową korzyść tj. prawie pełną wymianę ładunku. Z udziałem automatyki i elektroniki, poprzez płynną zmianę ciśnienia początkowego poduszki powietrznej można zbudować silnik o zmiennym stopniu sprężania.

Przykład czwarty to próba użycia wg sposobu maksymalnych - technologicznie możliwych do opanowania wartości stopnia sprężania. Figura 2 pokazuje już omawianą modernizację z tym, że podwyższono ciśnienie początkowe w poduszce powietrznej do wartości ~ 8 MPa. Po ewentualnie małej korekcie wnęki w tłokach, uzyskujemy silnik mogący pracować przy stopniu sprężania 40:1. Na fig. 2 pokazane są pozycje elementów silnika w GMP bez zapłonu, objętość komory akumulacyjnej nad tłoczkiem w tym momencie powinna być około dwa razy większa niż objętość komory spalania pod tłoczkiem. Przy utrzymaniu tych proporcji, ciśnienie Pmax nie przekroczy ~ 10 MPa. Gdyby teraz akumulator został usunięty, ciśnienie podskoczyłoby do ~ 16 MPa, obrazuje to linia kreskowana na wykr. 4. Silnik takiego wzrostu ciśnienia nie wytrzymałby. Ponieważ jednak komora akumulacyjna jest wmontowana, od momentu przekroczenia ciśnienia początkowego objętość komór się sumuje, co pozwala na wzrost ciśnienia tylko o około 1/3. Na wykr. 4 dokładnie widać pozytywne zmiany i skalę tych zmian (linia ciągła), w stosunku do silnika typowego (linia kropkowana). Kolejno: punkt (a) to moment wtrysku, (b) moment zadziałania akumulatora i jednocześnie - dobrany momentem wtryskupunkt zapłonu, (c) koniec wtrysku i orientacyjny moment włączenia się akumulatora. Na wykresie widać jak znacząco wzrośnie moc silnika. Będzie też miał miejsce duży przyrost sprawności przy znacznie mniejszym wzroście strat mechanicznych.

W kolejnym, piątym przykładzie przedstawiono kolejną wersję, kładącą nacisk na duże ograniczenie toksycznych zanieczyszczeń w spalinach. Założono, że stopień sprężania będzie 40:1. Zastosowano komorę akumulacyjną przedstawioną na Fig. 2, część (b). Ciśnienie początkowe poduszki powietrznej wynosi ~ 8 MPa. Objętość komory nad tłoczkiem jest równa objętości komory spalania, gdy tłok silnika jest w GMP. Przyjmuje się, że wtryskiwane maksymalne dawki paliwa są zredukowane o połowę. Ponieważ stopień sprężania jest tak wysoki, to silnik będzie pracował na mieszankach ubogich z dużym nadmiarem powietrza, podobnie jak silniki doładowane. Przy tak wysokich ciśnieniach sprężania nie ma problemu z samozapłonem nawet minimalnych dawek paliwa. Wykres 5 pokazuje linią ciągłą końcowy efekt tej zmiany na tle: a) typowego silnika o stopniu sprężania 23:1 (linia kropkowana), b) silnika teoretycznego o stopniu sprężania 40:1 (Iinia kreskowana-najwyższy) przy pełnej dawce paliwa, c) pośrodku (linia kreskowana) pokazuje ten sam silnik z połową dawki paliwa. Kolejno: punkt (a) wtrysk zmniejszonej o połowę dawki paliwa, punkt (b) moment zapłonu przy ~ 8MPa, (c) koniec wtrysku i praca akumulatora. Analizując zmiany widać, że wykres końcowy ma nieco większą powierzchnię, ale trzeba się liczyć z trochę większymi stratami mechanicznymi, wynikającymi ze znacznie wyższego ciśnienia sprężania. Obciążenia mechanizmów podczas pozostałych suwów silnika są podobne jak w silnikach konwencjonalnych. Podobne do silnika konwencjonalnego parametry pracy można osiągnąć spalając dużo mniejsze dawki paliwa. Dobrym rozwiązaniem byłby wtrysk paliwa dwupunktowy. Mała dawka paliwa (wolnych obrotów), wtryskiwana do kolektora ssącego w okolicę zaworu i ta część mieszanki spala się wybuchowo, pozostała część wtryskiwana do komory spalania najlepiej wprost w komorę akumulacyjną.

Silnik ten cechuje duży nadmiar powietrza i bardzo dokładne spalanie paliwa przy stosunkowo niskiej temperaturze spalin. Więc małe ilości CO, Nx, węglowodorów i sadzy w całym zakresie pracy silnika. Znacznie wzrasta sprawność a więc również mocno maleje emisja dwutlenku węgla.

PL 207 919 B1

Szóstym przykładem jest silnik o wybuchowym spalaniu mieszanki. Na fig. 11 pokazany jest powtórnie silnik, który w suwie ssania zasysa tym razem mieszankę. Wtrysk paliwa, najlepiej dwupunktowy realizowany jest w okolicę zaworu w kolektorze, z tym że jeden wtryskiwacz podaje stałą dawkę paliwa (wolnych obrotów), a drugi podaje regulowaną ilość. Cykl pracy silnika jest identyczny jak w przykładzie pierwszym, tyle że przed GMP następuje wybuch czy też zapłon sprężeniowy ubogiej jednorodnej mieszanki. Aby zrealizować taki silnik należy dobrać odpowiednie paliwo, optymalny nadmiar powietrza, stopień sprężania oraz konstrukcję i stopień chłodzenia komory akumulacyjnej aby wybuch nie następował zbyt wcześnie przed GMP. Optymalne byłoby zastosowanie płynnej zmiany stopnia sprężania realizowanej przez regulację ciśnienia początkowego w poduszce powietrznej komory akumulacyjnej. Przy bardzo ubogich mieszankach i małym obciążeniu wskazane jest stosować najwyższe stopnie sprężania. W miarę zwiększania się obciążenia gdy mieszanka musi być bogatsza, ciśnienie początkowe powinno maleć aby obniżył się stopień sprężania i wtedy moment samozapłonu sprężeniowego utrzyma się blisko punktu GMP. Ponieważ ilość spalanego paliwa (przyjęto spalanie ubogich mieszanek) w całym zakresie obrotów jest bardzo mała w porównaniu z ilością powietrza, temperatura spalania pozostaje względnie niska. Silnik wytwarza małe ilości tlenku i dwutlenku azotu. Mieszanka w komorze spalania jest dobrze zmieszana i powietrze jest w dużym nadmiarze, w wyniku jej spalania powstaje niewiele cząstek sadzy. W silniku tym następuje prawie pełna wymiana ładunku. Sprawność silnika jest wysoka, ponieważ zastosowane są wysokie jak w Dieslu stopnie sprężania, a moc silnika reguluje się bez dławienia układu ssącego, co eliminuje straty ssania. Tłoczek akumulatora działa jak amortyzator, łagodzi ujemne skutki wybuchów i szybkiego spalania. Przy bardzo ubogich mieszankach zapłon takich silników może być wspomagany zapłonem iskrowym. Wykres 6 pokazuje pracę takiego silnika. Punkt (d) wskazuje moment zadziałania akumulatora w pobliżu punktu (b) następuje sprężeniowy zapłon (wybuch) jednorodnej mieszanki. Linia kreskowana przedstawia typowy silnik z podniesionym stopniem sprężania do wartości 32:1 z pomniejszoną około 1/3 dawką paliwa, w tle widać porównywany silnik konwencjonalny (linia kropkowana). Linia ciągła obrazuje zmiany spowodowane wmontowaniem do silnika z podwyższonym stopniem sprężania, komory akumulacyjnej wg wynalazku.

Ciśnienie maksymalne rzędu 10 MPa, ani też stosunek sprężania 40:1 nie jest maksymalną granicą. Można śmiało modernizować silniki o wyższych parametrach, tyle że będzie to jeszcze większe wyzwanie, aby opanować technologię wysokich ciśnień.

Claims (3)

1. Silnik o spalaniu wewnętrznym z komorą akumulacyjną, znamienny tym, że najkorzystniej w głowicę silnika ma wbudowaną komorę akumulacyjną, składającą się z elementów takich jak: cylinderek (1), tłoczek (2), elementy uszczelniające (3), element sprężysty umieszczony nad tłoczkiem, układ zasilający (5) (w wersji z poduszką powietrzną) i hamulec - amortyzator pneumatyczny (6), wmontowanie której umożliwia podniesienie stopnia sprężania, korzystnie do wartości 40:1 lub więcej, na skutek czego w suwie sprężania i spalania występuje zjawisko akumulacji energii i amortyzacji szybkich impulsów wzrostu ciśnienia przez ustępujący tłoczek (2), pod którym spala się wirujące, wtryskiwane paliwo zmieszane z powietrzem lub wybucha jednorodna mieszanka a impulsy szczytowe ciśnienia są spłaszczane, nadmiar energii ponad założoną wartość maksymalnego ciśnienia spalania jest magazynowany w sprężynie lub w poduszce powietrznej (4) komory akumulacyjnej i później oddawany przy korzystniejszym kącie położenia korbowodu, podtrzymując ciśnienie w komorze spalania.

2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że przez dobór ciśnienia początkowego poduszki powietrznej lub naprężenia wstępnego sprężyny możliwe jest optymalizowanie momentu zadziałania komory akumulacyjnej, natomiast dobierając stosunek objętości poduszki powietrznej (4) do objętości komory spalania pod tłoczkiem (2), lub odpowiednio dobierając sprężynę w stosunku do siły działającej na tłoczek przez sprężane powietrze gdy tłok silnika jest w GMP, uzyskujemy korzystną charakterystykę pracy komory akumulacyjnej, a zmieniając płynnie w pewnych granicach ciśnienie początkowe w poduszce powietrznej lub naprężenie wstępne sprężyny, uzyskujemy zmienny stopień sprężania dobierany w zależności od występującego obciążenia silnika.

3. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że w dolnej części cylinderka (1) i tłoczka (2) (gdy znajduje się w dolnej pozycji), pomiędzy cylindrycznymi ściankami tworzy się szczelina przelotowa (7), dobieraniem szerokości i długości tej szczeliny regulujemy skuteczność hamowania tłoczka, stożkowa

PL 207 919 B1 powierzchnia cylinderka i kulista powierzchnia (8) tłoczka (2) tworzą szczelny zawór, a na dolnej powierzchni (9) cylinderka (1) są ukośne nacięcia, które wymuszają korzystne zawirowanie wtłaczanego do komory akumulacyjnej powietrza, przy czym w górnej części tłoczek ma wybranie w celu zapewnienia małej bezwładności i szybkiej reakcji komory akumulacyjnej.