SK5954Y1 - Valveless four stroke internal combustion engine with opposed axial piston - Google Patents

Abstract

Valveless four stroke internal combustion engine with a thrust opposed pistons, characterized in that it consists of the engine block (6), which are stored sliding cylinders (5) with a pistons (4) attached to the clamp rod (3) with working hemisphere (7) and return hemisphere (8), while they are in permanent contact with the sliding oblique plate (2) fixed on the shaft (1).

Description

Vynález sa týka návrhu nekonvenčného konštrukčného riešenia zážihových i vznetových spaľovacích motorov, zjednodušením ich kinetických väzieb za účelom zvýšenia ich celkovej účinnosti.

Doterajší stav techniky

Súčasné spaľovacie motory aplikujú premenu priamočiareho, vratného pohybu piesta, pomocou kľukového mechanizmu na rotačný pohyb.

Expanzný tlak, na čelo piesta vyvodí silu, ktorá sa pohybom piesta z hornej úvrate (HU) do dolnej úvrate (DU) lineárne zmenšuje. (Taká istá, len opačne orientovaná pasívna sila pôsobí aj na hlavu valca).

Expanznú silu na piest rozkladá kľukový mechanizmus tak nevýhodne, že jej maximálne hodnoty v oblasti HU a tesne za ňou nevytvárajú žiadny, alebo len veľmi malý krútiaci moment. Táto sila spôsobuje len zvýšené tlaky v ložiskách ojnice a kľukového hriadeľa.

Obdobne aj v DU a tesne pred ňou sa krútiaci moment geometricky zmenšuje až k nule.

V tejto oblasti je už expanzná sila malá a preto úbytky krútiaceho momentu nie sú tak citeľné ako v oblasti HU a tesne za ňou.

V tomto smere boli už zrealizované najvýhodnejšie proporcionálne kombinácie a vývoj sa zastavil na súčasnej symbióze prepojenia piesta, ojnice a samotnej kľuky a nerysuje sa týmto smerom cesta k výraznému zlepšeniu. Výkon točivých motorov je priamo závislý od krútiaceho momentu a otáčok. Táto skutočnosť vedie konštruktérov spaľovacích motorov k tomu, že otáčky motorov sa v priebehu posledných rokov výrazne zvyšujú. Umožňuje to súčasná úroveň konštrukčných, materiálových a technologických poznatkov, ale i napredovanie v oblasti palív a mazadiel. Skracuje sa tým však doba k racionálnemu zhodnocovaniu paliva.

Rozhodujúci ukazovateľ posudzovania spaľovacích motorov je ich spotreba paliva na vyprodukovanú jednotku výkonu a zároveň dodržiavanie stanovených limitov emisií, ktoré budú mať stále degresívny trend.

Celková technická úroveň spaľovacích motorov je v súčasnosti natoľko prepracovaná, že od ďalšieho vývoja a výskumu sa dajú očakávať len dielčie úspechy, ktoré sa asymptoticky blížia k vyčerpaniu všetkých možností. Tým sa rast účinnosti spaľovacieho motora zastaví na hodnote vymedzenej technickými možnosťami.

Podstata technického riešenia.

Navrhovaný bezventilový štvortaktný spaľovací motor s axiálne protibežnými piestami aplikuje periodický pracovný cyklus tak ako klasický motor. Sanie, kompresia, expanzia a výfuk sa uskutočňuje na dve otáčky hriadeľa.

Dvojica protiľahlých valcov a piestov umiestnených vo vývrte bloku motora vymedzuje jeden spoločný spaľovací priestor - takzvanú pracovnú jednotku.

Pracovných jednotiek môže byť v bloku viac. Ich osy prebiehajú paralelne s osou hriadeľa. Okolo hriadeľa sú pracovné jednotky usporiadané v kruhu. Ich nepárny počet (1, 3, 5) zaručuje, že sa vyhneme indiferentnému bodu v procese premeny priamočiareho na kruhový pohyb.

Priamočiary pohyb piestov sa mení na kruhový pomocou dvoch šikmých dosiek, ktoré sa spoločne otáčajú s hriadeľom. Po ich vnútornej ploche sa kĺžu pracovné hemisféry a po vonkajšej sa kĺžu vratné hemisféry.

Hemisféry sú uložené v guľových sedlách ojníc a ich momentálne stredy otáčania ležia na priradených plochách dosky. Šikmé dosky naklinované „proti sebe“ sa začnú vplyvom expanzných síl prenášaných z obidvoch piestov cez ojnice a ich pracovné hemisféry otáčať, pričom využívajú princíp pohybu na naklonenej rovine. Pri spätnom pohybe piestov a ojníc sa vratné hemisféry kĺžu po vonkajších plochách šikmých dosiek pomocou naakumulovanej energie zotrvačníka. Proces sania a výfuku umožňujú samotné valce. Ich vysunutím z priradených sediel sa v príslušnom časovom intervale otvorí prstencový prieduch buď na strane sania alebo výfuku. Tieto prieduchy sú napojené na sacie alebo na výfukové potrubie.

Valce sa vysúvajú mechanicky, alebo elektromagneticky. Vhodným „časovaním“ funkčnej plochy vačkového disku je možné riešiť aj takzvané prekrytie. Vačkový disk sa otáča pomocou planetového súkolia vo väzbe na hriadeľ v pomere 1:2a pomocou obkročmého vahadla vysúva valec, čím otvára príslušný prieduch. Valce naspäť do sedla zatláča pružina.

Nekonvenčné konštrukčné riešenie predmetného motora má viacero výhod.

- Navrhovaný motor je celkovo jednoduchší a oproti klasickému motoru nemá hlavu valcov, kľukový hriadeľ a vačkový hriadeľ, vrátane ventilov a ich rozvodových mechanizmov.

- Umožňuje využitie expanznej sily v oblasti jej najväčších hodnôt.

- Lineárne rozloženie krútiaceho momentu počas celého pôsobenia expanznej sily.

SK 5954 Υ1

- Eliminovanie pasívnych tlakov v spaľovacom priestore.

- Veľkosť kompresného pomeru nie je determinovaná trajektóriou ventilov.

- Dynamické účinky od pohyblivých častí sú celkovo menšie. (Posun hmotnostnejších valcov je však 2 až 3 krát menší ako zdvih ventilov klasických motorov. Tým sa minimalizuje zrýchlenie a následne aj dynamická sila pri ich posune).

- Otáčky možno voliť racionálnejšie vzhľadom na čas potrebný k lepšiemu zúžitkovaniu paliva.

Uvedené výhody sú pozitívne premietnuté do celkovej hodnoty účinnosti predmetného motora.

V rámci navrhovaného riešenia sú uplatnené niektoré prvky, ktoré doteraz neboli overené praxou. Sú to:

- otváranie sacej a výfukovej cesty pomocou zdvihu samotných valcov a ich utesnenia najmä v oblasti výfuku.

- udržiavanie valcov v sedlách pomocou prítlačných pružín. Z teoretického hľadiska bude proti pružine pôsobiť axiálna sila spôsobená len trením piesta a jeho krúžkov o stenu valca.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obr. 1: Schematický rez cez dve pracovné jednotky motora, pričom v jednej jednotke končí sanie a v druhej súčasne nastáva expanzia.

Obr. 2: Pozdĺžny rez jednou pracovnou jednotkou motora.

Obr. 3: Rez A - A je vedený radiálne stredom motora. Rovina rezu ho pomyselne rozdeľuje z funkčného hľadiska na dve identické časti.

Obr. 4: Rez B - B je vedený cez zberný prstencový prieduch ústiaci do výfukového potrubia.

Obr. 5: Rez C - C je vedený cez planetový prevod vačkového disku 11a obkročné vahadlo 12.

Obr. 6: Rez D - D je vedený cez šikmú dosku 2, strmeňovú ojnicu 3 a jej prizmatické vedenie 9.

Príklad uskutočnenia technického riešenia

Navrhovaný bezventilový štvortaktný spaľovací motor s axiálne protibežnými piestami (obr. 1) je konštrukčne riešený tak, že dve identické strany, a to predná a zadná, sú vzájomne prepojené blokom motora 6 a hriadeľom 1, ktorý je uložený v bloku motora 6 na dvoch axiálno-radiálnych ložiskách a v horizontálnom smere prechádza cez celý motor.

Do bloku motora 6 sú z obidvoch strán zasunuté valce 5, ktoré sú v bloku motora 6 uložené posuvne a utesnené voči samotnému bloku vhodnými tesneniami. Tieto valce 5 dosadajú do sediel nalisovaných obojstranne v bloku motora 6. Každý valec 5 je do sedla zatlačený pružinou 13 opretou o vodiaci disk 16, ktorý umožňuje posun valca 5 v horizontálnom smere.

Medzi vodiacim diskom 16 a valcom 5 je tesnenie, uzatvárajúce priestor v bloku motora 6. Priestor je vyplnený chladiacou kvapalinou (najvhodnejšie tým istým typom oleja, ktorý je použitý v motore).

Cez stred vodiaceho disku 16 voľne prechádza hriadeľ i, ktorý má v tejto časti ozubenie, poháňajúce cez satelity 10 vačkový disk 11 a to v pomere otáčok 1:2.

Vačkový disk 11 pomocou obkročného vahadla 12 posúva valec 5 a otvára v žiadanom intervale kompresný priestor.

Optimálne rozloženie poradia expanzie v jednotlivých valcoch (v rozsahu dvoch otáčok) umožní dosiahnuť vačkový disk 11 s viacerými funkčnými dráhami, čím je voľba vhodnej strany pre sanie, alebo výfuk pri konštrukcii variabilná.

Do valcov z oboch strán sú zasunuté piesty 4 spojené piestnym čapom so strmeňovou ojnicou 3. Ojnica je z vnútornej strany vybavená pracovnou hemisférou 7 a protiľahlo vratnou hemisférou 8. Hemisféry 7, 8 sú v strmeni ojnice 3 uložené v guľových sedlách.

Sedlom vratnej hemisféry 8 sa vymedzuje vôľa medzi šikmou doskou 2 a oboma hemisférami 7, 8, ktorých stredy naklápania ležia na vnútornej a vonkajšej ploche dosky 2. Tým stredy oboch hemisfér 7, 8 ležia stále na priamke zhodnej s osou posuvu valcov 5, piestov 4 a ojnice 3, ktorá svojím strmeňom je uložená v prizmatickom vodítku 9 pripevnenom v sedle vodiaceho prstenca 14.

Do vnútorného priemeru vodiaceho prstenca 14 je zalícovaná otáčajúca sa šikmá doska 2, čím je vedenie strmeňovej ojnice 3 vymedzené a umožňuje len jej axiálny pohyb.

Priestor motora z prednej strany je uzavretý čelným diskom 15 a zo zadnej strany uzatváracím diskom 17.

SK 5954 Υ1

Claims (2)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Bezventilový štvortaktný spaľovací motor s axiálne protibežnými piestami, vyznačujúci sa t ý m , že je tvorený blokom motora (6), v ktorom sú uložené posuvné valce (5) s piestami (4) načapovanými

   5 na strmeňové ojnice (3) s pracovnou hemisférou (7) a vratnou hemisférou (8), pričom tieto sú v klznom trvalom kontakte so šikmou doskou (2) upevnenou na hriadeli (1).
2. 2. Bezventilový štvortaktný spaľovací motor podľa nároku 1,vyznačujúci sa tým, že posuvné valce (5) majú mechanický alebo elektromagnetický pohon na vysúvanie a zasúvanie do sediel na plnenie alebo vyprázdňovanie spaľovacieho priestoru.