PL230877B1 - Silnik - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest silnik do zasilania sprężonym czynnikiem.

Znane jest zastosowanie napędów zasilanych sprężonym czynnikiem nieenergetycznym do napędzania pojazdów. Napędy takie mają szczególne zastosowanie w rozwiązaniach mających na uwadze ochronę środowiska. Pojazd zasilany sprężonym powietrzem, przykładowo wytworzonym przez sprężarkę napędzaną silnikiem elektrycznym zasilanym prądem z odnawialnych źródeł energii, zbliża się do standardu „zero emission”. Pomija się bowiem w tym standardzie emisje np. CO2 związane z wyprodukowaniem pojazdu, stacji ładowania i budową elektrycznego źródła energii odnawialnej.

Sprężony czynnik nieenergetyczny, jako źródło energii, nie jest pozbawiony wad. Do najważniejszych z nich należą mała gęstość energii w czynniku, proporcjonalna do logarytmu naturalnego ze stosunku ciśnienia początkowego w zbiorniku i ciśnienia rozprężania, oraz wysoki koszt zbiorników. Dlatego też zdecydowana większość obecnych na rynku rozwiązań jest mało efektywna i/lub mało ekonomiczna.

Europejskie zgłoszenie patentowe EP2772611A1 ujawnia dwusuwowy silnik zasilany sprężonym powietrzem. Silnik zawiera sześć cylindrów o jednakowej pojemności. Sprężone powietrze jest sekwencyjnie doprowadzane do każdego z nich w chwili, gdy tłok znajduje się w górnym położeniu. Zawory doprowadzające sprężone powietrze do cylindra oraz odprowadzające powietrze z cylindra są umieszczone w górnej jego części. Tłoki są połączone do wspólnego wału korbowego za pomocą korbowodów. Rozwiązanie takie nie jest przystosowane do efektywnego dostosowywania zużycia czynnika do wymogów dotyczących mocy.

Celowym byłoby opracowanie rozwiązania, które pozwoli na dostosowanie zużycia sprężonego czynnika do danego zapotrzebowania na moc, a w związku z tym podniesie ogólną efektywność napędu.

Przedmiotem wynalazku jest silnik tłokowy na sprężony czynnik, charakteryzujący się tym, że zawiera wał główny oraz co najmniej trzy zespoły cylindrowe połączone z wałem głównym do jego napędzania, znamienny tym, że zespoły cylindrowe rozmieszczone są równomiernie wokół osi wału głównego, przy czym co najmniej dwa zespoły cylindrowe mają względem siebie różne objętości skokowe, przy czym zespoły cylindrowe zawierają elementy sprzęgające do przenoszenia momentu obrotowego na wał główny przy określonym położeniu tłoków względem siebie.

Korzystnie, wszystkie zespoły cylindrowe mają względem siebie różne objętości skokowe.

Korzystnie, objętość skokowa kolejnych zespołów cylindrowych jest rosnąca.

Korzystnie, każdy zespół cylindrowy zawiera wał korbowy oraz przekładnię pasową, łączącą wał korbowy z wałem głównym silnika.

Korzystnie, zespół cylindrowy zawiera sprzęgło kłowe ze śrubową linią wprowadzającą do przenoszenia momentu obrotowego na wał główny.

Korzystnie, zespół cylindrowy zawiera elektronicznie sterowane sprzęgło z rozpoznaniem kąta sprzęgnięcia.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia schematycznie ukazany silnik w częściowym przekroju poprzecznym;

Fig. 2 przedstawia częściowy przekrój poprzeczny jednego z zespołów cylindrowych;

Fig. 3 przedstawia przykład sprzęgła;

Fig. 4 przedstawia wykres uwidaczniający zależności pomiędzy pozycjami tłoków zespołów cylindrowych.

Rozwiązanie według wynalazku, w ogólnej koncepcji, zawiera co najmniej trzy przetworniki o różnych objętościach skokowych, przykładowo kolejno rosnących lub malejących (w zależności od kierunku analizy). Moc przekazywana jest z poszczególnych przetworników na wspólny wał przekładni głównej pojazdu. Poszczególne przetworniki są włączane i wyłączane według aktualnego zapotrzebowania na moc. Przykładowo - dla małej prędkości pojazdu jadącego po poziomej drodze wystarczy załączyć najmniejszy przetwornik, inaczej dla prędkości wysokich i podjazdów stromych - wtedy załączony zostaje największy przetwornik. Do przeniesienia mocy z przedmiotowego silnika do dalszej części układu napędowego może zostać wykorzystana przełączana cyfrowo przekładnia.

Fig. 1 przedstawia przykład wykonania wynalazku w widoku z boku, a Fig. 2 przedstawia częściowy przekrój jednego z podzespołów cylindrowych. Pozostałe zespoły cylindrowe mają analogiczną budowę - różnią się tylko dostosowaniem do większej objętości skokowej (w tym przypadku są po prostu większe). Silnik składa się z trzech niezależnych, jednocylindrowych, dwusuwowych podzespołów 10, 20, 30, rozmieszczonych równomiernie wokół wału głównego 1. Pod pojęciem zespołu cylindrowego

PL 230 877 Β1 rozumie się tutaj tłok z cylindrem oraz współpracujące z nimi elementy pośredniczące do przekazania momentu obrotowego na wał główny 1.

Co najmniej dwa, a korzystnie wszystkie, z zespołów cylindrowych 10, 20, 30 cechują się różną objętością skokową. Każdy z zespołów cylindrowych 10, 20, 30 jest silnikiem jednocylindrowym, dwusuwowym z odpływem czynnika roboczego przez zawór wylotowy 18, 28, 38. Zawór wylotowy 18, 28, 38 może być sterowany układem rozrządu sprzężonym z wałem korbowym 17, 27, 37 odpowiedniego zespołu cylindrowego z zachowaniem stosunku przełożeń pomiędzy krzywką zaworów a wałem korbowym 1:1. Moment z poszczególnych wałów korbowych 17, 27, 37 można przekazać na wał główny 1 poprzez zespół przekładniowy. Przykładem takiej przekładni jest przekładnia z pasem zębatym 14, 24, 34. Moment z poszczególnych wałów korbowych 17, 27, 37 jest przenoszony na osadzone na wale koło zębate 13, 23, 33 i dalej pasami zębatymi 14, 24, 34 na odpowiednio ułożyskowane na wale głównym 1 koła swobodne 15, 25, 35. Koła swobodne 15, 25, 35 osadzone są na wale obrotowo i nie przenoszą bezpośrednio momentu obrotowego. Z koła swobodnego 15, 25, 35 moment można przenieść na wał główny 1 za pomocą sterowanych elektronicznie sprzęgieł 16, 26, 36. Sprzęgła mechaniczne 16, 26, 36 charakteryzują się tym, że umożliwiają sprzężenie tylko w jednym położeniu względnym elementów sprzęganych (tzn. zespołów cylindrowych). Taka właściwość sprzęgieł 16, 26, 36 jest konieczna, by po sprzęgnięciu wszystkich trzech sprzęgieł 16, 26, 36 (lub tylko części) układy korbowe poszczególnych silników miały zawsze jednoznacznie zdefiniowane położenie względem siebie. Przykładem takich sprzęgieł może być sprzęgło kłowe ze śrubową linią wprowadzającą. Przykład takiego sprzęgła został ukazany na Fig. 3. W innym przykładzie zespół cylindrowy zawiera elektronicznie sterowane sprzęgło z rozpoznaniem kąta sprzęgnięcia.

Charakterystyczne dla wyżej opisanego wynalazku jest to, że moment obrotowy jest uzyskiwany na skutek podania przez zawór wlotowy odpowiedniej dawki sprzężonego powietrza do przestrzeni nad tłok 12, 22, 32 przy zamkniętym zaworze wylotowym. Na skutek różnicy ciśnień po obu stronach denka tłoka powstaje siła napędzająca tłok 12, 22, 32, która przez układ korbowodowy zamieniona jest na moment obrotowy, który zostaje przeniesiony przez zestaw przekładni 13, 23, 33 oraz sprzęgieł 16, 26, 36 na wał główny 1. Czynnik podawany jest przez elektroniczny układ sterowania w optymalnym momencie, przykładowo gdy tłok przeszedł GMP (górny martwy punkt) i jest w suwie pracy (rozprężania). Ponieważ silnik do pojazdu jest przeznaczony z zasady do pracy z różnym obciążeniem, przewiduje się możliwość odłączenia sprzęgłami 16, 26, 36 poszczególnych zespołów cylindrowych z pracy, w zależności od zapotrzebowania na moc w danej chwili. Wyłączenie zespołu cylindrowego z pracy polega nie tylko na zaprzestaniu podawania sprężonego czynnika, ale również na rozłączeniu sprzęgła 16, 26, 36 przenoszącego moment pomiędzy wałem, a rozważanym zespołem cylindrowym. Dzięki temu zmniejszają się straty mechaniczne układu, ponieważ odłączone zespoły cylindrowe nie poruszają się i nie obciążają jednostki. Wielkość silnika zostaje wyliczona w oparciu o obliczenia trakcyjne pojazdu, który ma być napędzany, tak aby większość czasu silnik pracował z wykorzystaniem jednego lub dwóch zespołów cylindrowych. Tylko w sporadycznych przypadkach zasprzęglone są wszystkie zespoły cylindrowe. Przykładem takiej sytuacji jest zapotrzebowanie na pełną moc lub moment obrotowy jednostki na przykład w czasie rozruchu i przy maksymalnej prędkości pojazdu.

Fig. 3 przedstawia przykład sprzęgła 16, 26, 36, które może być zastosowane w każdym z zespołów cylindrowych 10, 20, 30 w celu realizacji ich funkcji. Sprzęgło 16, 26, 36 zawiera element przesuwny sprzęgła 41 a, przystosowany do współpracy kształtowej z komplementarnym elementem 41 b. Element przesuwny 41 a może przesuwać się wzdłuż osi wałka głównego 1, ma natomiast odebraną możliwość obrotu względem wałka 1 na skutek zastosowania połączenia wielowypustowego. Ukazany kształt elementów 41 a, 41 b umożliwia przeniesienie momentu tylko w jednej pozycji względnej. Sprzęgło 16, 26, 36 zawiera koło pasa zębatego 15. Koło 15 może obracać się swobodnie na wałku głównym 1, ponieważ jest zamocowane na łożysku 42. Łożysko 42 odbiera możliwość przesuwu koła 43 wzdłuż osi wałka 1. Na Fig. 3 ukazany został jedynie fragment wałka głównego 1. Oczywiste jednak dla znawcy w dziedzinie jest to, że wałek 1 w rzeczywistości będzie dłuższy i będzie na nim zamocowane więcej sprzęgieł - po jednym dla każdego zespołu cylindrowego.

Fig. 4 pokazuje przykładowe zależności pozycji tłoków 12, 22, 32 od pozycji kątowej wału głównego 1, określonej kątem a. Jednostka została tak zaprojektowana, że po załączeniu wszystkich sprzęgieł tłoki 12, 22, 32 ustawiają się względem siebie w fazie 120 stopni. Oznacza to, że jeżeli tłok 12 np. pierwszego zespołu cylindrowego 10 jest w GMP to wał korbowy 23 drugiego zespołu cylindrowego 20 jest w pozycji 120 stopni po GMP, a wał korbowy 33 trzeciego zespołu cylindrowego 30 jest

PL 230 877 Β1 w pozycji 120 stopni przed GMP (240 stopni po GMP). W większości silników z tłokowo-korbowym systemem zamiany ruchu posuwistego na obrotowy niemożliwy jest rozruch bez dodatkowego generatora wyprowadzającego układ z martwych położeń i definiującego kierunek obrotów. W powyższym rozwiązaniu, jeżeli silnik zatrzyma się z jednym z tłoków 12, 22, 32 dokładnie w GMP, wystarczy dostarczyć czynnik pod ciśnieniem do jednego z pozostałych cylindrów.

Rozwiązanie nie jest ograniczone do trzech zespołów cylindrowych. Dopuszcza się rozwinięcie ujawnionej koncepcji o dodatkowe zespoły cylindrowe zgodnie z przedmiotem zastrzeżeń, jako uzupełniające lub równoległe względem tych podstawowych. Większa ilość zespołów cylindrowych pozwoli na jeszcze większe podniesienie efektywności napędu, a także umożliwi kontynuowanie pracy silnika w przypadku awarii jednego lub więcej z zespołów.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Silnik tłokowy na sprężony czynnik, zawierający wał główny oraz co najmniej trzy zespoły cylindrowe połączone z wałem głównym do jego napędzania, znamienny tym, że zespoły cylindrowe (10, 20, 30) rozmieszczone są równomiernie wokół osi wału głównego (1), przy czym co najmniej dwa zespoły cylindrowe (10,20,30) mają względem siebie różne objętości skokowe, przy czym zespoły cylindrowe (10, 20, 30) zawierają elementy sprzęgające do przenoszenia momentu obrotowego na wał główny przy określonym położeniu tłoków względem siebie.
2. 2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wszystkie zespoły cylindrowe (10, 20, 30) mają względem siebie różne objętości skokowe.
3. 3. Silnik według zastrz. 2, znamienny tym, że objętość skokowa kolejnych zespołów cylindrowych (10, 20, 30) jest rosnąca.
4. 4. Silnik według dowolnego z poprzednich zastrz., znamienny tym, że każdy zespół cylindrowy (10, 20, 30) zawiera wał korbowy (17, 27, 37) oraz przekładnię pasową (13, 23, 33), łączącą wał korbowy (17, 27, 37) z wałem głównym silnika.
5. 5. Silnik według dowolnego z poprzednich zastrz., znamienny tym, że zespół cylindrowy (10, 20, 30) zawiera sprzęgło kłowe (16, 26, 36) ze śrubową linią wprowadzającą do przenoszenia momentu obrotowego na wał główny (1).
6. 6. Silnik według dowolnego z poprzednich zastrz., znamienny tym, że zespół cylindrowy (10, 20, 30) zawiera elektronicznie sterowane sprzęgło z rozpoznaniem kąta sprzęgnięcia.