Pierwszenstwo: Opublikowano: 30.IX.1969 KI. 46 a5/9 MKP F 02 b Si/00 UKD Twórcawynalazku: prof. mgr inz. Leon Niemand Wlasciciel patentu: Politechnika Warszawska, Warszawa (Polska) Silnik spalinowy z tlokami wirujacymi Przedmiotem wynalazku jest silnik spalinowy z tlokami wirujacymi, tworzacymi zamkniety lan¬ cuch kinematyczny. Znane sa silniki spalinowe z tlokiem wirujacym, osadzonym na mimosrodzie, przenoszacym moment obrotowy na wal silnika przez przekladnie o wewnetrznym uzebieniu, sta¬ nowiaca jednoczesnie wiez kinematyczna, okresla¬ jaca ruch tloka. Zasadnicza wada takiego rozwia¬ zania sa duze- trudnosci doprowadzenia czynnika chlodzacego do wirujacego tloka, wymagajacego chlodzenia ze wzgledu na kumulowanie sie stru¬ mieni cieplnych z kazdego procesu spalania, oraz ze wzgledu na koniecznosc zapewnienia odpowied¬ nich warunków pracy ulozyskowania i przekladni zebatej. Znane sa równiez rozwiazania silników z tlokami wirujacymi osadzonymi wahliwie na wa¬ le silnika i wirujacego wewnatrz owalnego cy¬ lindra, nie tworzacymi zamknietego lancucha ki¬ nematycznego.Zasadnicza wada tego rodzaju silników jest zrównowazenie sil dzialajacych na tlok, przez po- bocznice cylindra, a tym samym znaczne tarcie i zuzycie wspólpracujacych elementów. Inna wa¬ da tych silników jest przedostawanie sre paliwa do wnetrza silnika przez przerwy miedzy tloka¬ mi, co powoduje zaburzenia w pracy silnika i stwarza niebezpieczenstwo wybuchu. Znane sa tak¬ ze rozwiazania, w których cztery tloki przegubo¬ wo ze soba polaczone zabezpieczaja w zasadzie 10 20 25 30 • szczelnosc przestrzeni roboczych, jednakze zasto¬ sowany w tych rozwiazaniach sposób odbioru mo¬ cy powoduje, ze uklad wirujacy ma faktycznie dwa stopnie swobody, na skutek czego, oddzialy¬ wanie cisnienia gazów na tloki i ich sily bezwlad¬ nosci przenosza sie za posrednictwem uszczelnien radialnych na bieznie cylindra. Cecha charakte¬ rystyczna wymienionych rozwiazan jest to, ze biez¬ nia cylindra stanowi wiez kinematyczna dla prze¬ gubów tloków, a wiec wymusza ich ruch kraza¬ cy.Znane jest równiez rozwiazanie, w którym ruch czworoboku przegubowego sterowany jest za po¬ moca dwóch krzywek osadzonych, na wale. Jed¬ nakze i w tym przypadku wirnik ma faktycznie dwa stopnie swobody, a krzywki nie wyznaczaja jednoznacznie ruchu czworoboku przegubowego i w rezultacie obciazenie przejmuje za posrednict¬ wem uszczelek radialnych pobocznica cylindra, któ¬ ra w konsekwencji staje sie wiezia kinematyczna, wymuszajaca ruch tloków.Do powyzej opisanych grup silników nalezy sil¬ nik z tlokiem w postaci czworoboku przegubowe¬ go. Posiada on zasadnicza wade: czynnikiem po¬ wodujacym „splaszczanie sie" czworoboku przegu¬ bowego podczas jego obrotu jest wewnetrzna scian¬ ka cylindra, która przejmuje wszystkie sily bez¬ wladnosci tloków, przegubów z uszczelkami oraz ramienia wykonujacego ruchy oscylujace, a takze 5768557685 wynikajace z pracy silnika — sily gazowe. Obrana zasada dzialania silnika powoduje intensywne zu¬ zycie tracych sie elementów, co jest jednym z glównych powodów, z których silniki takie nie wyszly z fazy projektów.Celem wynalazku jest usuniecie powyzszych wad i niedogodnosci.Cel ten zostal osiagniety dzieki temu, ze zarys cylindrów w którym umieszczony jest utworzony z tloków wielobok przegubowy piecio-lub wiecej — bok, najkorzystniej pieciobok równoboczny, sta¬ nowi krzywa ekwidystantna do krzywej, po której poruszaja sie wierzcholki wieloboku, lub miejsce geometryczne punktów konców równych odcin¬ ków dwusiecznej kata zawartego miedzy sasied¬ nimi bokami tego wieloboku mierzonych na ze¬ wnatrz krzywej, przy czym dla piecioboku rów¬ nobocznego krzywa ta jest jedna z elips, dla któ- rych stosunek osi —- zawarty jest najkorzystniej b miedzy 1, 3 a 2, przy czym kazdy tlok wraz z od¬ powiadajacymi mu segmentami wirników zesta¬ wiony jest w jeden, sztywny uklad, zaopatrzony w rolki ulozyskowane w osi przegubów wirników znajdujacych sie po obu stronach cylindra, przy czym rolki te umieszczone sa wewnatrz zamknie¬ tych krzywych, których zarys jest ekwidystantny do krzywej, po której poruszaja sie wierzcholki wieloboku i os geometryczna tych rolek jest rów¬ noczesnie osia geometryczna odpowiedniego walka rozpreznego.Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przy¬ kladzie wykonania na rysunku na którym fig. 1 przedstawia uklad pieciu tloków, fig. 2 — jeden z wirników, sterujacy ruchem tloków i przekazuja¬ cy moment na wal, fig. 3 — schemat silnika z po¬ lozeniem tloków z najmniejsza objetoscia komory roboczej, fig. 4 — schemat silnika z odmiana okien wlotowych oraz z polozeniem tloków z maksy¬ malna objetoscia komory roboczej, fig. 5 — kon¬ kretny przyklad wykonania silnika wedlug wy¬ nalazku, fig. 6 — schematyczny widok silnika po zdjeciu pokrywy bocznej od strony wirnika prze¬ noszacego moment na wal napedowy. * Zarys cylindra 1 stanowi krzywa ekwidystantna do krzywej, po której poruszaja sie wierzcholki wieloboku przegubowego piecio lub wiecej boku, najkorzystniej piecioboku 2 w postaci pieciu tlo¬ ków 3. W przypadku przegubowego piecioboku równobocznego taka teoretyczna krzywa jest jed¬ na z grup krzywych Lamme'a okreslonych wedlug wzoru: 2 2 a b = 1 gdzie p jest funkcja kata q obrotu promienia wo¬ dzacego wierzcholka piecioboku przegubowego.Okazuje sie, ze mozna z duza dokladnoscia zasta¬ pic te krzywa odpowiednia elipsa o stosunku osi a — zawartym miedzy 1, 3 a 2. b W konkretnym przypadku dla danego boku pie- a cioboku dobrano elipse dla której — = 1,625. Ta b wybrana elipsa odbiega od krzywej teoretycznej o kilka do kilkanascie mikronów, co z technicz¬ nego punktu widzenia nie ma istotnego znaczenia, a umozliwia znaczne uproszczenie technologiczne. 5 Zarys cylindra moze równiez stanowic miejsce geometryczne punktów konców równych odcinków dwusiecznej kata zawartego miedzy dwoma sa¬ siednimi bokami piecioboku przegubowego mierzo¬ nych od wyzej opisanej elipsy na zewnatrz. io Wewnatrz cylindra 1 wiruje piec tloków 3 two¬ rzacych zamkniety lancuch kinematyczny, ale ki¬ nematycznie ze soba nie zwiazanych, to znaczy nie ma oddzialywania silowego jednego tloka na dru¬ gi. Tloki 3 tworza zamkniety lancuch w ten spo- 15 sób, ze koniec jednego tloka polaczony jest prze¬ gubowo za pomoca rozpreznej tulejki uszczelnia¬ jacej z poczatkiem tloka nastepnego.Wewnatrz kazdego tloka '3 znajduje sie wglebie¬ nie 4 przykladowo uksztaltowane jak na rysunku, 20 które tworza wraz z pobocznica cylindra komory robocze.Zamkniecie lancucha kinematycznego uzyskano przez zastosowanie rozpreznych walków uszczel¬ niajacych 5, umieszczonych miedzy wystepami 25 wierzcholkowymi dwóch sasiednich tloków. Usz¬ czelnienie komór roboczych nastepuje za pomoca radialnych listew uszczelniajacych 6, umieszczo¬ nych w rozpreznych walkach uszczelniajacych 5 oraz za pomoca bocznych listew uszczelniajacych 30 7, umieszczonych na obu bokach kazdego tloka 3.Listwy uszczelniajace 6 ustawiaja sie zawsze wzdluz kata zawartego miedzy dwoma sasiednimi bokami piecioboku przegubowego 2, zapewniajac w ten sposób najkorzystniejsze warunki uszczel- . 35 nienia.W wyniku obranego zarysu cylindra 1 radialne listwy uszczelniajace 6 krazac wraz z tlokami, nie wykonuja ruchów radialnych. Celem sterowania ruchem tloków zastosowano dwa poboczne wirni- 40 ki, skladajace sie z pieciu segmentów 8 polaczo¬ nych przegubowo sworzniami 9 w ten sposób, ze sworznie te oraz rozprezne walki uszczelniajace G maja wspólna os geometryczna. Na sworzniach 9 ulozyskowane sa rolki 10, które toczac sie po biez- 45 ni 11 steruja ruchem segmentów 8 a poprzez czo¬ py 12 takze ruchem tloków.Na czopach tych mocowanych w otworach 13 segmentów 8 osadzone sa przez otwory 14 tloki 3 w ten sposób, ze kazde dwa segmenty 8 wirników wraz z umieszczonym miedzy nimi tlokiem 3 two¬ rza jeden sztywny uklad. Dzieki temu sily pocho¬ dzace od bezwladnosci tloków oraz od sily gazo¬ wej nie przenosza sie z jednego tloka na drugi ani na pobocznice cylindra a przekazywane sa na biez¬ nie 11 za pomoca rolek 10.W ten sposób rolki 10 przenoszace sily i nara¬ zone na wysokie obciazenie pracuja na zewnatrz cylindra i znajduja sie poza obszarem wysokich 60 temperatur. Jeden z segmentów 8' wirnika posiada kablak 15 na którego wewnetrznej powierzchni znajduje sie bieznia 16 po której ruchem posu¬ wisto-zwrotnym toczy sie rolka, wzglednie zewne¬ trzny pierscien lozyska 17 zamocowanego na czo- 65 pie korbowym 18 korby, wzglednie kola zamacho- 50 5557685 6 wego 19. W ten sposób za pomoca tego segmentu 8' zostaje przekazany z przegubowego wirnika na wal 20 moment obrotowy.Cylinder silnika zamkniety jest z obu stron sciankami 21 i 22, mocowanymi srubami 23. We¬ wnetrzny zarys 24 scianek bocznych 21 i 22 jest dobrany odpowiednio by wystepy 25 tloków 3 podczas swego ruchu miescily sie wewnatrz tego zarysu. W korpusie cylindra 1 umieszczone sa otwory wlotowe, sluzace do napelniania komór ro¬ boczych mieszanka, oraz otwory wylotowe do usu¬ wania spalin, przy czym przewidziano dwa warian¬ ty ich iiosci i rozmieszczenia.W odmianie pierwszej przedstawionej na fig. 3 umieszczone sa dwa otwory wlotowe 26 i 27, przy czym tylko otwór 27 polaczony jest z gaznikiem, natomiast otwór 26 polaczony jest bezposrednio z atmosfera, oraz dwa otwory wylotowe 28 i 29, majace ujscie do wspólnego przewodu wylotowego niepokazanego na rysunku.Otwory te rozmieszczone sa niesymetrycznie wzgledem krótszej osi zarysu cylindra, przy czym otwory 29 i 26 sa blizej tej osi niz otwory 27 i 28.Odmiana druga pokazana na fig. 4 przewiduje umieszczenie trzech otworów: dwóch wylotowych 28 i 29 oraz jednego wlotowego 30. Jednakowo dla obu odmian umieszczona jest w korpusie cylindra swieca zaplonowa 31, a mianowicie ujscie otworu 32 laczacego komore robocza tloka z okolica ele¬ ktrod swiecy jest cofniete wzgledem krótszej osi zarysu cylindra w kierunku przeciwnym do kie¬ runku obrotu walu silnika na tyle, aby uzyskac mozliwie korzystne momenty zaplonu, zapewniaja¬ ce uzyskanie optymalnego procesu termodynamicz¬ nego.Cylinder 1, pierscienie 33 i boczne pokrywy 34 i 35 skrecone sa razem srubami 36, tworzac zam¬ knieta przestrzen. Wal 20 silnika ulozyskowany jest w dwóch lozyskach 37 i 38, osadzonych na scian¬ kach bocznych 37' pokryw 34 i 35. Od strony 37 koncówka walu wystaje na zewnatrz silnika, nato¬ miast z drugiej strony wal 20 posiada slepo kon¬ czace sie wydrazenie 39. Lozysko 38 umocowane jest na pokrywce 40, przy czym jej czesc walcowa 41 tkwi w wydrazeniu walu. Na obu koncach walu 20 osadzone sa kola zamachowe 19 i 42.Silnik pracuje wedlug czterosuwowego obiegu termodynamicznego. W polozeniu przedstawionym na fig. 3 tlok 3 znajduje sie w takim polozeniu, ze zamyka z bocznica cylindra minimalna obje¬ tosc komory roboczej. W przestrzeni tej odbywa sie proces spalania mieszanki przy praktycznie stalej objetosci. W tym samym czasie w komorze roboczej tloka 3* odbywa sie proces sprezania mieszanki, a w komorze roboczej tloka 3" odbywa sie rozprezanie spalin.Wraz z krazeniem tloków w cylindrze w kazdej komorze roboczej odbywa sie nastepujaco cykl pracy silnika: spalanie mieszanki, rozprezanie spa¬ lin, wlot spalin poczatkowo przez otwór wyloto¬ wy 28, a nastepnie takze przez 29, przeplukiwa¬ nie czystym powietrzem przy otwartych jednoczes¬ nie otworach wlotowych 26 i wylotowym 29 wy¬ korzystujac inzekcyjne dzialanie strumienia spa¬ lin, napelnianie czystym powietrzem i mieszanka przy otwartych obu otworach wlotowych, napel¬ nianie'mieszanka przez otwór wlotowy 27, spre- 5 zanie.Podczas jednego obrotu walu silnika opisany wy¬ zej cykl pracy wykonuja wszystkie piec tloków 3 a wiec podczas jednego obrotu walu silnika na¬ stepuje piec zaplonów, przy czym w komorze kaz- io dego tloka odbywa sie czterosuwowy cykl pracy, a przeplukiwanie komory roboczej odbywa sie czystym powietrzem przy jej najmniejszej objetos¬ ci. Odmiana wynalazku przedstawiona na fig. 4 obejmuje równiez takie rozmieszczenie otworów 15 wylotowych i wlotowego, ze proces przeplukiwania komór roboczych odbywa sie swieza mieszanka, jak to sie dzieje w gaznikowych dwusuwowych sil¬ nikach tlokowych.Zaplon w obu odmianach nastepuje w momen- 20 cie gdy odpowiednia komora robocza osiaga mini¬ malna objetosc. Równoczesnie do otworu 32 zbliza sie radialna listwa uszczelniajaca, przy czym w szczelinie miedzy tlokiem a pobocznica cylindra, znajdujaca sie miedzy otworem 32 a radialna list¬ wa uszczelniajaca 6 panuje cisnienie praktycznie równe koncowemu cisnieniu sprezania, gdyz na skutek niekorzystnych warunków przestrzennych panujacych w tej szczelinie, rozprzestrzenianie sie plomienia jest bardzo utrudnione.W sasiedniej komorze roboczej dobiega konca w tym czasie proces sprezania, w rezultacie czego po obu stronach radialnej listwy uszczelniajacej 6 jest praktycznie jednakowe cisnienie, a wiec 35 w momencie mijania przez te listwe otworu 32 nie ma przedmuchu spalin z komory, w której aktualnie zachodzi spalanie do komory, w której zostala sprezona mieszanka.Chlodzenie zewnetrznych czesci przewidziano 40 przez powszechnie stosowany plaszcz wodny, na¬ tomiast chlodzenie tloków odbywa sie przez herme¬ tycznie zamkniety uklad. Ciecz chlodzaca dopro¬ wadzona przez otwór 43 przeplywa przez otwór 44 w czesci walcowej 41 nastepnie przez otwory 45 *5 w wale i 46 w piascie kola zamachowego 19 przez kanal 47 i przewodem elastycznym 48 zostaje do¬ prowadzona do wnetrza 49 tloka. Nastepnie prze¬ wodem elastycznym 50 do wydrazenia 39 walu a nastepnie otworem 51 pokrywki 40 ciecz chlodza- 50 ca wraca do chlodnicy. W ten sposób uzyskuje sie zamkniety obieg cieczy chlodzacej, umozliwia¬ jacy przetlaczanie przez tlok cieczy chlodzacej. 25 30 55 PL