PL227472B1 - Silnik spalania wewnętrznego z dwoma przestrzeniami roboczymi cylindra - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest silnik spalania wewnętrznego z dwoma przestrzeniami roboczymi cylindra, który przeznaczony jest do napędu pojazdów lądowych, powietrznych oraz wodnych, jak również różnego rodzaju maszyn roboczych.

Znany jest z opisu patentowego US 6854429 silnik spalinowy z tłokiem o dwustronnym działaniu, zawierający co najmniej jeden cylinder z umieszczonym wewnątrz podwójnym, symetrycznym tłokiem, który dzieli wolną przestrzeń cylindra na dwie przestrzenie robocze. Obustronne głowice zamykające cylindra wyposażone są w zawory dopływu paliwa i odprowadzania spalin oraz w element zapłonowy w postaci świecy zapłonowej lub żarowej. W podwójnym tłoku jest z jednej jego strony osadzony sztywno drążek popychacza, który przeprowadzony jest na zewnątrz cylindra poprzez uszczelniony otwór w przegrodzie oddzielającej cylinder od korpusu silnika. Końcówka tego drążka połączona jest z jarzmem stabilizatora, a ten z kolei jarzmem z jarzmem przekazu mocy, przy czym w miejscu połączenia obydwu tych jarzm przymocowane jest wahliwie ramię ogranicznika stabilizacyjnego, który drugą stroną związany jest z korpusem silnika. Jarzmo przekazu mocy swoją drugą stroną połączone jest z wałem korbowym, stanowiącym część zespołu korbowego, na którego jednym końcu jest koło zamachowe, a na drugim końcu jest koło rozrządu, połączone paskiem rozrządu z wałkiem rozrządu. System obiegu oleju w układzie smarowania polega na dostarczaniu oleju do przestrzeni utworzonej pomiędzy walcowym przewężeniem pośrodku tłoka a środkową częścią cylindra, skąd następnie olej przemieszczany jest do miski olejowej odpowiednim systemem kanalików, znajdujących się wewnątrz tłoka, oraz dalej rowkiem, umieszczonym w osi drążka tłoczyska. Osadzone na wałku rozrządu krzywki sterują odpowiednio poprzez popychacze zaworami głowic zamykających cylindra w sprzężeniu z pracą świec zapłonowych. Silnik pracuje w cyklu czterosuwowym naprzemiennie dla każdej z komór spalania co 180 stopni obrotu wału korbowego.

Ponadto znany jest powszechnie silnik dwusuwowy, który ma nałożoną na cylinder głowicę ze świecą zapłonową i posiada w ścianie cylindra otwór wlotowy, przez który doprowadzana jest mieszanka paliwowa z układu gaźnika do przestrzeni cylindra pod tłokiem oraz połączonej z nią przestrzenią skrzyni korbowej, a nadto umieszczony wyżej w ścianie cylindra otwór wylotowy do odprowadzania spalin do kolektora wydechowego. Obie przestrzenie cylindra, pod tłokiem i nad tłokiem, połączone są bocznymi pionowymi kanałami przepłukującymi, umożliwiającymi przemieszczanie mieszanki paliwowej z przestrzeni spod tłoka do przestrzeni roboczej nad tłokiem w jego ruchu posuwistozwrotnym. Tłok w znanym silniku połączony jest za pomocą wahliwego korbowodu z wykorbieniem wału korbowego, umieszczonego w skrzyni korbowej. Odległość pionowa pomiędzy otworami wlotowym i otworami wylotowym jest dobrana tak aby kanały te były naprzemiennie zamykane i otwierane z wykorzystaniem ścianki bocznej tłoka.

Silnik według wynalazku ma przymocowany do korpusu cylinder z korzystnie obustronnie wklęsłą wewnętrzną przegrodą, dzielącą cylinder na część górną cylindra oraz część dolną cylindra, natomiast w ścianie części górnej cylindra oraz w ścianie części dolnej cylindra, po obu stronach wewnętrznej przegrody, zamontowane są świece zapłonowe. Część górna cylindra ma co najmniej jeden boczny kanał przepłukujący górny, który łączy przestrzeń zasysania części górnej cylindra z przestrzenią roboczą tej części cylindra oraz co najmniej jeden otwór wlotowy górny i jeden otwór wylotowy górny. Podobnie część dolna cylindra ma co najmniej jeden boczny kanał przepłukujący dolny, który łączy przestrzeń zasysania części dolnej cylindra z przestrzenią roboczą tej części cylindra oraz co najmniej jeden otwór wlotowy dolny i jeden otwór wylotowy dolny. Wewnątrz części górnej cylindra umieszczony jest tłok górny, a wewnątrz części dolnej cylindra umieszczony jest tłok dolny, przy czym tłok górny oraz tłok dolny zwrócone są do siebie swoimi korzystnie wypukłymi powierzchniami roboczymi, i połączone są one ze sobą za pomocą drążka w postaci szlifowanego wałka. Drążek przeprowadzony jest poprzez osadzone w przegrodzie łożysko liniowe, na które z obu stron nałożone są el ementy uszczelniające. Z drugiej jego strony do tłoka dolnego przymocowany jest korbowód, który swoim drugim końcem połączony jest z wytopieniem wału korbowego, umieszczonego w stanowiącej wewnętrzną część korpusu skrzyni korbowej. W pierwszym wariancie wykonania silnika do otworu wlotowego górnego oraz do otworu wlotowego dolnego przyłączone jest wyjście wspólnego gaźnika, do którego wejścia przyłączony jest wylot wentylatora. W drugim wariancie wykonania silnika po obu stronach wewnętrznej przegrody w ścianie części górnej cylindra oraz w ścianie części dolnej cylindra zamontowane są poza świecami zapłonowymi również wtryskiwacze paliwa oraz wtryskiwacze wody, a do otworu wlotowego górnego oraz do otworu wlotowego dolnego przyłączony jest wylot korzystnie

PL 227 472 B1 wspólnego wentylatora. Wtryskiwacze wody połączone są przewodami wodnymi ze zbiornikiem wody poprzez przyporządkowane im urządzenia dozujące. Pomiędzy zbiornikiem wody, a poszczególnymi urządzeniami dozującymi znajduje się element grzewczy wody, który osadzony jest na przyłączonym do kanałów wylotu spalin i kolektorze wydechowym.

Jedną z zalet rozwiązania według wynalazku jest połączenie w sobie dodatnich cech silnika bezzaworowego z zaletą rozwiązania silnika z podwójnym tłokiem i dwoma komorami spalania, w których zachodzą dwa cykle pracy co 180° w czasie pełnego obrotu wału korbowego. Inną zaletą tego rozwiązania jest całkowite i skuteczne odcięcie strefy komór spalania cylindra od przestrzeni skrzyni korbowej, zapobiegające przedostawaniu się oleju do wydalanych produktów spalania paliwa. W związku z tym nie ma potrzeby stosowania zwykle używanego rezonansowego układu wydechowego. Czyni to omawiany silnik urządzeniem ekologicznym, odpowiadającym najwyższym standardom stawianym tego typu urządzeniom. Kolejną cechą rozwiązania silnika według wynalazku jest jego prosta konstrukcja, niewymagająca wielu złożonych elementów dodatkowych, w tym, z uwagi na wymagane małe ciśnienie powietrza do przepłukiwania przestrzeni cylindra, wystarczające jest zastosowanie w tym celu niewielkiego wentylatora zamiast używanego zazwyczaj kompresora. To, jak również brak potrzeby stosowania skomplikowanego systemu rozrządu pracą zaworów, który stosowany jest w znanym rozwiązaniu, powoduje, iż silnik według wynalazku zachowuje korzystny stosunek mocy do ciężaru. Silnik ten może być wytwarzany w różnych układach wielocylindrowych, takich jak układ rzędowy, układ typu bokser albo też układ gwiazdowy. W szczególności w układzie gwiazdowym cylindrów silnik nadaje się do wykorzystania w lekkich konstrukcjach lotniczych, łodziach motorowych i innych podobnych urządzeniach. Omawiany silnik może być, w zależności od użytego elementu zapłonowego, zasilany praktycznie każdym stosowanym paliwem płynnym lub gazowym, w tym benzyną, olejem napędowym jak również wodorem.

Przedmiot wynalazku został pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia silnik w przekroju według pierwszej wersji wykonania, fig. 2 przedstawia silnik w przekroju według drugiej wersji wykonania, natomiast na fig. 3 pokazano silnik w przekroju prostopadłym dla obu tych wersji wykonania.

Silnik ma przymocowany do korpusu 1 cylinder 2 z obustronnie wklęsłą wewnętrzną przegrodę 3, dzielącą cylinder 2 na część górną cylindra 2a oraz część dolną cylindra 2b, natomiast po obu stronach przegrody 3, w ścianie części górnej cylindra 2 oraz w ścianie części dolnej cylindra 2b, zamontowane są świece zapłonowe 4a, 4b. Część górna cylindra 2a ma dwa boczne kanały przepłukujące górne 5a, które łączą przestrzeń zasysania części górnej cylindra 2a z przestrzenią roboczą tej części cylindra oraz otwór wlotowy górny 5b i otwór wylotowy górny 5c. Podobnie część dolna cylindra 2b ma dwa boczne kanały przepłukujące dolne 6a, które łączą przestrzeń zasysania części dolnej cylindra 2b z przestrzenią roboczą tej części cylindra oraz otwór wlotowy dolny 6b i otwór wylotowy dolny 6c. Wewnątrz części górnej cylindra 2a umieszczony jest tłok górny 7a, a wewnątrz części dolnej cylindra 2b umieszczony jest tłok dolny 7b, przy czym tłok górny 7a oraz tłok dolny 7b zwrócone są do siebie swoimi wypukłymi powierzchniami roboczymi 8a, 8b, i połączone są ze sobą za pomocą drążka 9 w postaci szlifowanego wałka. Drążek 9 przeprowadzony jest poprzez osadzone w przegrodzie 3 łożyskoliniowe 10, na które z obu stron nałożone są elementy uszczelniające 10a, 10b. Z drugiej strony do tłoka dolnego 7b przymocowany jest do niego korbowód 11, który swoim drugim końcem połączony jest z wykorbieniem 12 wału korbowego 13, umieszczonego w stanowiącej wewnętrzną część korpusu 1 skrzyni korbowej 14. W pierwszym wariancie wykonania silnika do otworu wlotowego górnego 5b oraz do otworu wlotowego dolnego 6b przyłączone jest wyjście wspólnego gaźnika G, którego wejście połączone jest z wylotem wentylatora W. W tym wariancie silnik zasilany jest mieszanką benzyny z dodatkiem oleju smarowniczego tak jak w standardowych silnikach dwusuwowych.

W drugim wariancie wykonania silnika po obu stronach przegrody 3 w ścianie części górnej cylindra 2a oraz w ścianie części dolnej cylindra 2b zamontowane są poza świecami zapłonowymi 4a, 4b również wtryskiwacze paliwa 15a i 15b oraz wtryskiwacze wody 15c i 15d, a do otworu wlotowego górnego 5b oraz do otworu wlotowego dolnego 6b przyłączony jest wylot wspólnego wentylatora W. Wtryskiwacze wody 15c i 15d połączone są przewodami wodnymi 16 ze zbiornikiem wody 17 poprzez przyporządkowane im urządzenia dozujące 18. Pomiędzy zbiornikiem wody 17, a poszczególnymi urządzeniami dozującymi 18 znajduje się element grzewczy wody 19, który osadzony jest na przyłączonym do kanałów wylotu spalin 5c i 6c kolektorze wydechowym 20. W tym wariancie silnik zasilany jest paliwem bez dodatku oleju smarowniczego, zaś do smarowania zespołu tłokowo-korbowego stosowany jest oddzielny układ smarowania, znany z silników czterosuwowych.

PL 227 472 B1

Działanie silnika według wynalazku jest podobne do działania znanego silnika dwusuwowego z uwzględnieniem dwóch sprzęgniętych i współdziałających ze sobą tłoków 7a i 7b w oddzielonych od siebie dwóch częściach wspólnego cylindra 2.

W pierwszym wariancie wynalazku, w chwili uruchomienia silnika przy ruchu obydwu tłoków w górę, następuje otwarcie przez tłok dolny 7b otworu wlotowego dolnego 6b i zasysanie z gaźnika G mieszanki paliwowej do przestrzeni zasysania części dolnej cylindra 2b i połączonej z nią przestrzeni skrzyni korbowej 14 oraz do otwartych od dołu kanałów przepłukujących dolnych 6a. W trakcie dalszego ruchu tłoka dolnego 7b w górę zamknięty zostaje otwór wylotowy dolny 6c, i w chwili osiągnięcia przez tłok dolny 7b GMP następuje od iskry świecy zapłonowej 4b zapalenie się mieszanki paliwowej w przestrzeni roboczej części dolnej cylindra 2b nad tłokiem dolnym 7b, a następnie ruch tego tłoka w kierunku jego DMP. W tej fazie pracy, w przestrzeni pod tłokiem dolnym 7b oraz w kanałach przepłukujących dolnych 6a następuje wstępne sprężenie mieszanki paliwowej, która po otwarciu górnych szczelin kanałów przepłukujących dolnych 6a dostaje się do przestrzeni roboczej nad tłokiem dolnym 7b. Część mieszanki paliwowej wypycha poprzez otwór wylotowy dolny 6c resztki spalin do kolektora wydechowego silnika, natomiast jej zasadnicza część pozostaje w przestrzeni roboczej części dolnej cylindra 2b nad tłokiem dolnym 7b jako paliwo do kolejnego cyklu pracy. W tym samym cyklu pracy silnika następuje otwarcie przez sprzężony z tłokiem dolnym 7b tłok górny 7a otworu wlotowego górnego 5b i zasysanie z gaźnika G mieszanki paliwowej do przestrzeni zasysania części górnej cylindra 2a oraz do otwartych od góry kanałów przepłukujących górnych 5a. Po dojściu tłoka dolnego 7b do jego DMP rozpoczyna on ponownie ruch posuwisty w górę. W tej fazie pracy znów następuje zasysanie mieszanki paliwowej z gaźnika G do przestrzeni zasysania części dolnej cylindra 2b i połączonej z nią przestrzeni skrzyni korbowej 14 oraz do otwartych od dołu kanałów przepłukujących dolnych 6a. Równocześnie w tej fazie pracy w przestrzeni pod tłokiem górnym 7a oraz w kanałach przepłukujących górnych 5a odbywa się wstępne sprężenie mieszanki paliwowej, która po otwarciu dolnych szczelin kanałów przepłukujących górnych 5a dostaje się do przestrzeni roboczej pod tłokiem górnym 7a. Ponowne zapalenie mieszanki paliwowej w przestrzeni roboczej części dolnej cylindra 2b nad tłokiem dolnym 7b powoduje ruch obydwu tłoków w dół, a chwili osiągnięcia przez tłok górny 7a jego GMP od iskry świecy zapłonowej 4a następuje zapalenie się mieszanki paliwowej w przestrzeni roboczej części górnej cylindra 2b pod tłokiem górnym 7a oraz ruch tego tłoka w kierunku jego DMP. Zgromadzona nad tłokiem górnym 7a oraz w kanałach przepłukujących górnych 5a podlega wstępnemu sprężeniu, zaś po otwarciu dolnych szczelin kanałów przepłukujących dolnych 5a mieszanka dostaje się do przestrzeni roboczej pod tłokiem górnym 7a. Część mieszanki paliwowej wypycha poprzez otwór wylotowy dolny 5c resztki spalin do kolektora wydechowego silnika, natomiast jej zasadnicza część pozostaje w przestrzeni roboczej części górnej cylindra 2a pod tłokiem górnym 7a jako paliwo do kolejnego cyklu pracy, po czym cykl pracy silnika się powtarza.

W tym wariancie wynalazku do wlotu powietrza gaźnika G doprowadzane jest powietrze z wentylatora W, co ma na celu zwiększenie szybkości przepływu mieszanki przez gaźnik G i usprawnienie przepłukiwania przestrzeni roboczych obu części cylindra 2.

Działanie silnika według wynalazku w drugim wariancie wykonania jest podobne do opisanego wyżej z tą różnicą, że do przestrzeni roboczych części górnej cylindra 2a oraz części dolnej cylindra 2b podawane jest paliwo bezpośrednio z wtryskiwaczy paliwa 15a i 15b, natomiast dostarczane z wentylatora W powietrze po wstępnym sprężeniu przepłukuje przestrzenie robocze obu części cyli ndra 2, a nadto mieszając się z paliwem po zamknięciu otworów wylotowych 5c i 6c stanowi nowy ładunek mieszanki paliwowej wykorzystanej w kolejnym cyklu roboczym silnika. Ponadto w omawianym cyklu pracy silnika w drugim wariancie wykonania, tuż po zapłonie sprężonego paliwa w przestrzeni cylindra 2 pod tłokiem górnym 7a, oraz w odpowiedniej kolejnej fazie tego cyklu, tuż po zapłonie sprężonego paliwa w przestrzeni cylindra 2 nad tłokiem dolnym 7b, do przestrzeni tych dostarczana jest niewielka ilość wody poprzez wtryskiwacze wody 15c i 15d. Woda doprowadzona jest przewodami wodnymi 16 ze zbiornika wody 17 poprzez osadzony na kolektorze wydechowym 20 element grzewczy wody 19, w omawianym przykładzie wykonanym w postaci spiralnej metalowej rurki, oraz poprzez urządzenia dozujące 18. Woda poddana jest wstępnemu ogrzaniu w elemencie grzewczym wody 19 do temperatury około 100°C, natomiast odmierzanie jej ilości oraz momentu wtrysku do przestrzeni cylindra 2 odbywa się w odpowiednich fazach cyklu pracy silnika w urządzeniach dozujących 18, których praca sterowana jest z zewnętrznego układu sterowania pracą sinika.

Do smarowania zespołu tłokowo-korbowego w drugim wariancie wykonania silnika stosowany jest oddzielny układ smarowania, znany z silników czterosuwowych.

PL 227 472 B1

Zaletą drugiego wariantu rozwiązania silnika według wynalazku jest brak stosowania jako paliwa mieszanki benzyny z olejem smarowniczym, zaś w wydalanych spalinach nie ma niedopalonych resztek paliwa oraz oleju smarowniczego. Nie ma wobec tego potrzeby, w celu obniżenia poziomu wydalanych zanieczyszczeń, jak ma to miejsce w dotychczasowych rozwiązaniach silników dwusuwowych, stosowania ciężkiego układu rezonansowego do zawracania części niedopalonego paliwa. Ponadto wspólną zaletą rozwiązania według wynalazku w jego obu wariantach wykonania jest większa moc silnika uzyskana z jednego cylindra w odniesieniu do znanych silników dwusuwowych jednotłokowych. Doprowadzenie niewielkiej ilości wody o temperaturze bliskiej wrzenia lub nieco wyższej do komory spalania poprawia dodatkowo sprawność silnika według drugiej wersji wynalazku.

Claims (8)

1. Silnik spalania wewnętrznego z dwoma przestrzeniami roboczymi cylindra zawierający korpus z wyposażonym w przeciwwagę wałem korbowym oraz połączony z korpusem co najmniej jeden cylinder z umieszczonym w nim posuwisto-zwrotnym zespołem tłokowokorbowym, a nadto elementy zapłonowe i system zasilania paliwem cylindra, przy czym cylinder ma boczne kanały przepłukujące, łączące ze sobą jego przestrzeń zasysania pod tłokiem z przestrzenią roboczą nad tłokiem, a nadto ma umieszczone w ścianach cylindra otwory wlotowe do przestrzeni zasysania oraz otwory wylotowe z przestrzeni roboczej, znamienny tym, że przymocowany do korpusu (1) cylinder (2) ma, korzystnie obustronnie wklęsłą, wewnętrzną przegrodę (3), która dzieli cylinder (2) na część górną cylindra (2a) oraz część dolną cylindra (2b), natomiast po obu stronach przegrody (3) w ścianie części górnej cylindra (2) oraz w ścianie części dolnej cylindra (2b) zamontowane są świece zapłonowe (4a, 4b), poza tym część górna cylindra (2a) ma co najmniej jeden kanał przepłukujący górny (5a) oraz co najmniej jeden otwór wlotowy górny (5b) i jeden otwór wylotowy górny (5c), a część dolna cylindra (2b) ma co najmniej jeden kanał przepłukujący dolny (6a) oraz co najmniej jeden otwór wlotowy dolny (6b) i jeden otwór wylotowy dolny (6c), nadto wewnątrz części górnej cylindra (2a) umieszczony jest tłok górny (7a), a wewnątrz części dolnej cylindra (2b) umieszczony jest tłok dolny (7b), przy czym tłok górny (7a) oraz tłok dolny (7b) zwrócone są do siebie swoimi, korzystnie wypukłymi, powierzchniami roboczymi (8a, 8b), i połączone są one ze sobą za pomocą drążka (9), korzystnie w postaci szlifowanego wałka, który przeprowadzony jest poprzez osadzone w przegrodzie (3) łożysko liniowe (10), korzystnie z nałożonymi na nie z obu stron elementami uszczelniającymi (10a, 10b), poza tym do tłoka dolnego (7b) przymocowany jest korbowód (11), który swoim drugim końcem połączony jest z wykorbieniem (12) wału korbowego (13), umieszczonego w stanowiącej wewnętrzną część korpusu (1) skrzyni korbowej (14).

2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że po obu stronach przegrody (3) w ścianie części górnej cylindra (2a) oraz w ścianie części dolnej cylindra (2b) zamontowane są wtryskiwacze paliwa (15a, 15b).

3. Silnik według zastrz. 2, znamienny tym, że w ścianie części górnej cylindra (2a) oraz w ścianie części dolnej cylindra (2b) umieszczone są wtryskiwacze wody (15c, 15d).

4. Silnik według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że do otworu wlotowego górnego (5b) oraz do otworu wlotowego dolnego (6b) przyłączony jest wylot korzystnie wspólnego wentylatora (W).

5. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że do otworu wlotowego górnego (5b) oraz do otworu wlotowego dolnego (6b) przyłączone jest wyjście korzystnie wspólnego gaźnika (G).

6. Silnik według zastrz. 5, znamienny tym, że do wejścia gaźnika (G) przyłączony jest wylot wentylatora (W).

7. Silnik według zastrz. 3, znamienny tym, że wtryskiwacze wody (15c, 15d) połączone są przewodami wodnymi (16) ze zbiornikiem wody (17) poprzez przyporządkowane im urządzenia dozujące (18).

8. Silnik według zastrz. 7, znamienny tym, że pomiędzy zbiornikiem wody (17), a poszczególnymi urządzeniami dozującymi (18) znajduje się element grzewczy wody (19), który osadzony jest na przyłączonym do kanałów wylotu spalin (5c, 6c) kolektorze wydechowym (20).