PL215544B1

PL215544B1 - Combustion two-four-stroke engine

Info

Publication number: PL215544B1
Application number: PL383511A
Authority: PL
Inventors: Czeslaw Koziarski
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2013-12-31
Also published as: PL383511A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest silnik spalinowy dwu-czterosuwowy mogący pracować jako dwu lub czterosuwowy, o dwustopniowym rozprężaniu, nie posiadający układu chłodzenia, który może być stosowany we wszelkiego rodzaju napędach a szczególnie w pojazdach mechanicznych.The subject of the invention is a two-stroke internal combustion engine that can work as a two-stroke or four-stroke, with two-stage expansion, without a cooling system, which can be used in all kinds of drives, especially in motor vehicles.

Znane są ze stosowania silniki spalinowe dwusuwowe różnego typu. Najbardziej zbliżoną konstrukcją jest przedstawiony w opisie patentowym PL-183 981 pt. „Silnik spalinowy dwusuwowy” z dnia 18.02.1997 r. Jest to dwusuwowy silnik spalinowy zasilany w paliwo wtryskowo, który posiada cylindry współpracujące z dwoma tłokami związanymi z wałem korbowym za pomocą korbowodów. Wał korbowy o dwóch przeciwstawnych wykorbieniach łożyskowany jest, tak jak i korbowody łożyskami ślizgowymi, w komorze korbowodowej zamkniętej miską olejową. W korpusie silnika mieszczą się też dwuprzekrojowe cylindry i tłoki, których części o większych przekrojach stanowią sprężarki. Cylindry te połączone są kanałami dolotowymi, których wyloty znajdują się w sąsiednich cylindrach silnika tuż nad denkami tłoków w ich dolnym martwym położeniu. Naprzeciw nich znajdują się kanały wylotowe spalin. Kanały dolotowe do sprężarek zaopatrzone są w płytkowe zawory ssące.Various types of two-stroke internal combustion engines are known to be used. The most similar design is presented in the patent description PL-183 981 pt. 'Two-stroke internal combustion engine' of 18/02/1997. It is a fuel injection two-stroke internal combustion engine which has cylinders which cooperate with two pistons connected to the crankshaft by connecting rods. The crankshaft with two opposing crankshaft is mounted, just like the connecting rods, with slide bearings, in a conrod chamber closed with an oil pan. The engine housing also houses double-section cylinders and pistons, the larger sections of which are compressors. These cylinders are connected by inlet channels, the outlets of which are located in the adjacent engine cylinders just above the piston crowns in their lower dead center. Opposite them are the exhaust ducts. The inlet channels to the compressors are equipped with plate suction valves.

Silnik tłokowy znany jest z europejskiego opisu patentowego nr EP 1640628, który na wale korbowym ma z jednej strony osadzoną przeciwwagę, a z drugiej strony koło zamachowe, przy czym silnik ten napędza silnik elektryczny. Silnik ma co najmniej jeden cylinder z tłokiem, a na cylindrze zamontowana jest głowica. W skrzyni korbowej, za pomocą łożysk, ułożyskowany jest mechanizm korbowy składający się z dwóch kół zamachowych z przeciwwagami. Pomiędzy przeciwwagami jest zamontowany czop korbowy, który współdziała z tłokiem. Wirnik silnika elektrycznego jest zamontowany w łożyskach rotora, a jego wał jest połączony napędowo z mechanizmem korbowym za pomocą sprzęgła, które jest skrętnie sztywne.A piston engine is known from European Patent No. EP 1640628, which has a counterweight on the crankshaft on one side and a flywheel on the other side, which motor drives the electric motor. The engine has at least one cylinder with a piston, and a cylinder head is mounted on the cylinder. The crank mechanism, consisting of two flywheels with counterweights, is mounted in the crankcase by means of bearings. A crank pin is installed between the counterweights and interacts with the piston. The rotor of the electric motor is mounted in the rotor bearings and its shaft is drive connected to the crankset by a coupling which is torsionally rigid.

Istota silnika według wynalazku, polega na tym, że nad korpusem umieszczony jest zbiornik spalin i powietrza połączony poprzez zawór trójdrożny z przewodem. W zbiorniku spalin i powietrza osadzone są przewody doprowadzające mieszaninę spalin i powietrza do kanałów doprowadzających poprzez zawory suwakowe zasilające mieszaniną spalin i powietrza części cylindrów o większym przekroju.The essence of the engine according to the invention consists in the fact that above the body there is an exhaust and air tank connected to the conduit through a three-way valve. The exhaust gas and air tank are equipped with conduits for supplying the exhaust gas and air mixture to the supply channels through the slide valves supplying the cylinder parts with a greater cross-section with the mixture of exhaust gas and air.

Korzystnie, w korpusie ma osadzone zawory ssące zasysające powietrze do części cylindrów o większym przekroju w korpusie ma osadzone zawory wydechowe usuwające mieszaniny spalin i pary z części cylindrów o większym przekroju.Preferably, the body is provided with intake valves sucking air to the larger section of the cylinders. The body is provided with exhaust valves removing exhaust gas and vapor mixtures from the larger section of the cylinders.

Korzystne jest to, że cylindry są wyposażone w kanał odprowadzający spaliny.It is advantageous that the cylinders are provided with an exhaust gas discharge channel.

Zasadniczą zaletą silnika, gdy pracuje on jako silnik czterosuwy jest uzyskiwany przez niego bardzo duży moment obrotowy przy małych obrotach oraz niskim hałasie i prawie całkowite wykorzystanie energii paliwa. Cylindry silnika są połączone kanałami doprowadzającymi, z których każdy łączy część cylindra o większym przekroju z częścią sąsiedniego cylindra o mniejszym przekroju. Wewnątrz każdego cylindra pracuje dwuprzekrojowy tłok. Wał korbowy na swoich końcach zamocowane z jednej strony przeciwwagę a na drugim koło zamachowe z przesuniętym środkiem ciężkości. Na większym przekroju tłoka jest osadzony pierścień uszczelniająco-zgarniający. Wał korbowy w dwóch przeciwstawnych wykorbieniach łożyskowany jest, tak jak i korbowody łożyskami ślizgowymi osadzonymi w komorze korbowodowej zamkniętej miską olejową. Z drugiej strony cylindry zaopatrzone są w zawory sterowane elektronicznie za pomocą siłowników elektromagnetycznych lub wykorzystujących zjawisko zmiany kształtu przewodu elektrycznego pod wpływem zmiany natężenia prądu. Nad korpusem znajduje się zbiornik do którego doprowadzane są spaliny i nadmiar powietrza z cylindrów poprzez zawór trójdrożny.The main advantage of the engine, when it works as a four-stroke engine, is that it achieves a very high torque at low revolutions and low noise, and almost complete use of fuel energy. The engine cylinders are connected by feed channels, each connecting a portion of the larger cylinder to a portion of the adjacent smaller cylinder. Inside each cylinder there is a two-section piston. The crankshaft has a counterweight on one side and a flywheel with an offset center of gravity on the other side. A sealing-scraper ring is mounted on the larger cross-section of the piston. The crankshaft in two opposing cranks is supported, just like the connecting rods, with slide bearings mounted in the conrod chamber closed with an oil pan. On the other hand, the cylinders are equipped with valves controlled electronically by means of electromagnetic actuators or using the phenomenon of changing the shape of the electric wire under the influence of the change of the current intensity. Above the body there is a tank to which exhaust gases and excess air from the cylinders are fed through a three-way valve.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój podłużny silnika spalinowego dwusuwowego widziany z boku, fig. 2 - przekrój podłużny silnika spalinowego dwusuwowego widziany z góry, a fig. 3 - przekrój poprzeczny silnika.The subject of the invention in an exemplary embodiment is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a longitudinal section of a two-stroke internal combustion engine seen from the side, Fig. 2 - a longitudinal section of a two-stroke internal combustion engine seen from above, and Fig. 3 - a cross section of the engine.

Silnik spalinowy dwu-czterosuwowy wykonany jako silnik spalinowy dwusuwowy, składa się z korpusu 1 z dwuprzekrojowymi cylindrami 2 i łączącymi je kanałami doprowadzającymi 3. W cylindrach tych są umieszczone dwuprzekrojowe tłoki 4 wyposażone w pierścienie uszczelniające 5 oraz pierścienie uszczelniająco-zgarniające 6. W tłokach 4 są sworznie tłokowe 7 ułożyskowane na łożyskach 8 znajdujących w głowach korbowodów 9. Z drugiej strony korbowody 9 ułożyskowane są na wale korbowym 10 za pomocą łożysk ślizgowych 11. Z lewej strony silnika wał korbowy 10 ułożyskowany jest w korpusie 1 za pomocą łożyska ślizgowego wału 12 i z prawej za pomocą łożyska ślizgowego wału 13. Zawory ssąco-wydechowe 14 o zmiennym kącie otwarcia oraz rozrządy suwakowe 15,A two-four-stroke internal combustion engine, designed as a two-stroke internal combustion engine, consists of a body 1 with double-sectioned cylinders 2 and supply channels 3 connecting them. In these cylinders there are double-sectioned pistons 4 equipped with sealing rings 5 and sealing-scraper rings 6. In the pistons 4 there are piston pins 7 mounted on bearings 8 located in the connecting rod heads 9. On the other hand, connecting rods 9 are mounted on the crankshaft 10 by means of slide bearings 11. On the left side of the engine, the crankshaft 10 is mounted in the body 1 by means of a slide bearing of the shaft 12 and right by means of a shaft slide bearing 13. Variable-angle suction-exhaust valves 14 and slide timings 15,

PL 215 544 B1 są sterowane elektronicznie za pomocą siłowników elektromagnetycznych lub wykorzystujących zjawisko zmiany kształtu przewodu elektrycznego pod wpływem zmiany natężenia prądu.They are electronically controlled by electromagnetic actuators or by the phenomenon of changing the shape of the electric wire as a result of the change of the current intensity.

Od dołu korpus silnika 1 zamknięty jest miską olejową, 16. Kanał 17 służy do odprowadzania spalin, gdy silnik pracuje jako dwusuwowy. Z lewej strony na wale korbowym 10 znajduje się przeciwwaga 18, wyważająca moment przewracania silnika, a z prawej zamontowane jest na jego końcu koło zamachowe 19 o przesuniętym środku ciężkości. Nad korpusem znajduje się zbiornik spalin powietrza 20, do którego doprowadzane są spaliny i nadmiar powietrza z cylindrów 2 poprzez zawór trójdrożny 21 przewodem 22. Przewody 23 służą do doprowadzania tej mieszaniny do kanałów doprowadzających 3 poprzez zawory suwakowe 24. Zawory ssące 25 służą do zasysania powietrza do, a wydechowe 26 służą do usuwania mieszaniny spalin i powietrza z części cylindrów 2 o większym przekroju.At the bottom, the engine body 1 is closed with an oil sump, 16. The duct 17 serves to discharge exhaust gases when the engine is operating as a two-stroke engine. On the left side of the crankshaft 10 there is a counterweight 18 balancing the moment of overturning the engine, and on the right side there is a flywheel 19 with an offset center of gravity at its end. Above the body there is an air exhaust gas tank 20, to which exhaust gas and excess air from cylinders 2 are supplied through a three-way valve 21 through a line 22. The lines 23 are used to supply this mixture to the supply channels 3 through the slide valves 24. The suction valves 25 serve for air suction to, and exhaust 26 are used to remove the exhaust gas / air mixture from the larger cross section portions of the cylinders 2.

Gdy silnik działa jako dwusuwowy to wtedy w czasie ruchu tłoków 4 z ich górnego martwego punktu do dolnego ich części o mniejszym przekroju wykonują suw pracy, a o większym przekroju zasysają poprzez zawór wlotowy 25 powietrze do współdziałających z nimi części cylindrów 2. Po zmianie kierunku ruchu tłoków zawór 25 przymyka wlot powietrza, dzięki czemu zostaje ono częściowo sprężane aż do chwili otwarcia przez tłok 4 w sąsiednim cylindrze wylotu kanału doprowadzającego 3, przez który zostaje ono do niego wtłoczone jednocześnie wypychając z niego spaliny. Przed otwarciem ich otwierane są zawory 14, przez które początkowo usuwane są spaliny a następnie w zależności od stopnia napełnienia cylindrów roboczych usuwane jest też powietrze. Wielkość kąta otwarcia zaworów 14 ustalana jest za pomocą pedału przyspieszacza pompą wtryskową paliwa. Przy czym im mniejsze napełnienie tym większy kąt otwarcia zaworów 14 aż do pełnego jego otwarcia, co powoduje ochładzanie cylindrów a przede wszystkim tych zaworów. Po czym następuje sprężanie powietrza i wtrysk paliwa oraz zapłon mieszanki przed górnym martwym punktem. Zawory w rozrządach 15 są unieruchomione w położeniu pozwalającym na przepływ gazów do zaworu trójdrożnego 21 a stąd do przewodu 17.When the engine operates as a two-stroke engine, then during the movement of the pistons 4 from their upper dead center to their lower part with a smaller cross-section, they make a power stroke, and with a larger cross-section they suck air through the inlet valve 25 to the parts of the cylinders 2 interacting with them. the valve 25 closes the air inlet, thanks to which it is partially compressed until the piston 4 in the adjacent cylinder opens the outlet of the supply channel 3, through which it is forced into it, simultaneously pushing the exhaust gases out of it. Before opening them, valves 14 are opened, through which exhaust gases are initially removed and then, depending on the degree of filling of the working cylinders, air is also removed. The size of the opening angle of the valves 14 is set by the accelerator pedal by the fuel injection pump. The smaller the filling, the greater the opening angle of the valves 14 up to its full opening, which causes cooling of the cylinders and, above all, these valves. This is followed by air compression and fuel injection, and ignition of the mixture before TDC. The valves in the timing gears 15 are locked in a position that allows the flow of gases into the three-way valve 21 and hence into the conduit 17.

Gdy silnik według wynalazku działa jako czterosuwowy to w czasie ruchu tłoków 4 z ich górnego martwego punktu do dolnego zasysają one powietrze zaworami ssąco-wydechowymi 14. Po zmianie kierunku ruchu następuje zmiana położenia suwaka w rozrządzie 15 i przez niego wytłaczanie nadmiaru powietrza do zbiornika 20, co powoduje ochładzanie cylindrów a przede wszystkim tych zaworów. Kąt otwarcia zaworów 14 jest tym większy im mniejszy jest stopień napełniania cylindrów powietrzem. Ich części o większym przekroju zasilane są, w tym czasie, poprzez zawór suwakowy 24 mieszaniną spalin i powietrza, przy czym kąt otwarcia tych zaworów jest tym większy im większy jest stopień napełniania tą mieszaniną cylindrów. Następnie następuje sprężanie powietrza i wtrysk paliwa oraz zapłon mieszanki przed górnym martwym punktem. Następnie tłoki 4 wykonują suw pracy. Przed otwarciem wylotów kanałów doprowadzających 3 otwierane są zawory 14, przez które usuwane są spaliny do zbiornika 20, a następnie też chwilowo i przez kanały 3 do części sąsiednich cylindrów o większych przekrojach.When the engine according to the invention operates as a four-stroke engine, during the movement of the pistons 4 from their upper dead center to the lower one, they suck air through the intake-exhaust valves 14. After changing the direction of movement, the position of the slider in the timing 15 changes and excess air is forced into the tank 20, which causes the cylinders and especially these valves to cool down. The opening angle of the valves 14 is the greater the lower the degree of filling the cylinders with air. Their larger cross-section parts are fed, at that time, via the slide valve 24 with the mixture of exhaust gases and air, the opening angle of these valves being the greater the greater the degree of filling with this mixture of cylinders. This is followed by air compression and fuel injection, and ignition of the mixture before TDC. The pistons 4 then perform the power stroke. Before opening the outlets of the supply channels 3, valves 14 are opened, through which the exhaust gases are discharged into the tank 20 and then also temporarily and through the channels 3 to the parts of the adjacent cylinders with larger cross-sections.

Przekroje poprzeczne górnych części cylindrów 2 i tłoków są kołowe a dolne owalne. Zastosowanie owalnych przekrojów poprzecznych w zespole cylinder 2 i tłok 4, pozwala uzyskać przy tej samej długości silnika, znacznie większą wydajność sprężarki. Umożliwia to dowolne doładowywanie silnika, gdy pracuje on jako silnik dwusuwowy oraz rozprężanie spalin i powietrza w czasie pracy jako silnik czterosuwowy, co znacznie zwiększa jego moc i sprawność.The cross-sections of the upper parts of the cylinders 2 and the pistons are circular and the lower parts are oval. The use of oval cross-sections in the cylinder 2 and piston 4 assembly allows to obtain, for the same engine length, a much higher compressor efficiency. This allows for any supercharging of the engine when it is working as a two-stroke engine and decompression of exhaust and air while working as a four-stroke engine, which significantly increases its power and efficiency.

Stosując doładowanie silnika według wynalazku, gdy pracuje on jako silnik dwusuwowy, turbosprężarką można wykorzystać do napędu ciepło jego chłodzenia dwojako. Stosując jak to opisano wyżej sprężarki o dużej wydajności wykorzystać energię spalin w turbinie związanej z wałem silnika lub z inną osią pojazdu. W drugim przypadku stosując turbosprężarkę można tę energię wykorzystać do napędu wału silnika przy napełnianiu sprężonym w niej powietrzem sprężarki, która pracuje wtedy jako silnik powietrzny. Opisany silnik jest w zasadzie silnikiem niskoprężnym, ale może być on też silnikiem wysokoprężnym. Dodatkowo większa objętość sprężarki od cylindra roboczego zapewnia dobre usuwanie spalin przy pełnym jego napełnieniu. Jeszcze lepsze ich usuwanie uzyskuje się, gdy ze względu na potrzebę częściowego wykorzystania mocy silnika przedłużane jest otwarcie zaworu wylotowego celem zmniejszania jego napełnienia. Niewykorzystane powietrze, dostarczone ze sprężarki, przetłaczane jest do układu wydechowego i zwiększa tym samym skuteczność działania katalizatora. Jest to szczególnie ważne ze względów ekologicznych, ponieważ im mniejsze jest napełnienie cylindra tym gorszy jest skład wydalanych z niego spalin. W silniku według wynalazku napełnienie to można zwiększyć a przez to poprawić nie tylko skład spalin, ale i sprawność silnika w ten sposób, żeBy using the supercharging of an engine according to the invention when it is operating as a two-stroke engine, the turbocharger can use the heat of its cooling to drive it in two ways. Using high-efficiency compressors as described above, use the exhaust gas energy in a turbine associated with the engine shaft or other axle of the vehicle. In the second case, by using a turbocharger, this energy can be used to drive the motor shaft while filling the compressor with compressed air, which then works as an air motor. The engine described is essentially a low pressure engine, but may also be a diesel engine. In addition, the larger volume of the compressor than the working cylinder ensures good exhaust gas removal when fully filled. Their removal is even better when, due to the need to partially use the engine power, the opening of the exhaust valve is prolonged in order to reduce its filling. Unused air, supplied from the compressor, is forced into the exhaust system and thus increases the effectiveness of the catalyst. It is especially important for ecological reasons, because the smaller the cylinder filling, the worse the composition of exhaust gases discharged from it. In the engine according to the invention, this charge can be increased and thus improve not only the exhaust gas composition, but also the efficiency of the engine in such a way that

PL 215 544 B1 przy mniejszym od połowy maksymalnego obciążenia można wyłączyć z pracy jeden jego układ napędowy. Otwierając przy tym na stałe zawór wylotowy, wyłączonego cylindra roboczego, zmieniany jest ten układ w pompę tłoczącą powietrze do układu wydechowego silnika zwiększając skuteczność działania jego katalizatora spalin. Zmniejsza to opory ruchu niepracującego układu a wlatujące częściowo do niepracującego cylindra roboczego spaliny ogrzewają go i przez to jest utrzymywany w ciągłej gotowości do pracy. Drugi układ musi w takim przypadku rozwijać większą moc a przez to mieć większe napełnienie, co zapewnia większą jego sprawność.One drive system can be shut down at less than half of the maximum load. By permanently opening the outlet valve of the deactivated working cylinder, this system is changed into a pump forcing air into the engine's exhaust system, increasing the efficiency of its exhaust catalyst. This reduces the resistance to movement of the non-working system, and the exhaust gases, partially entering the non-working working cylinder, heat it up and thus it is kept ready for operation. In such a case, the second circuit must develop more power and thus have a greater filling, which ensures its greater efficiency.

Stałe otwarcie zaworów umożliwia rozruch silnika maszyną elektryczną zamiast rozrusznikiem. Maszyna ta może służyć też, oprócz ładowania akumulatorów silnikiem, do odzyskowego hamowania pojazdu oraz jego napędu na skrzyżowaniach, przystankach a szczególnie w korkach ulicznych, co jest bardzo korzystne ekologicznie.The constant opening of the valves allows the engine to be started with an electric machine instead of a starter. This machine can also be used, in addition to charging the batteries with the engine, for regenerative braking of the vehicle and its propulsion at intersections, stops, and especially in traffic jams, which is very ecologically beneficial.

Claims

1. A two-four-stroke internal combustion engine has a body equipped with cylinders cooperating with pistons connected to the crankshaft by connecting rods, at the same time the crankshaft in two opposing cranks, moreover, a flywheel with a counterweight is mounted on the crankshaft, characterized by there is a fume and air tank (20) connected via a three-way valve (21) with a pipe (22), and in the fumes and air tank (20) there are ducts (23) supplying the mixture of fumes and air to the inlet channels (3) through slide valves (24) supplying the parts of cylinders (2) with a larger cross-section with the mixture of exhaust gas and air.

2. The engine according to claim A method according to claim 1, characterized in that in the body (1) there are suction valves (25) which suck air into the part of the cylinders (2) with a larger cross-section.

3. The engine according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that exhaust valves (26) are mounted in the body (1) to remove exhaust gas and vapor mixtures from the larger section of the cylinders (2).

4. The engine according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that the cylinders (2) are provided with an exhaust gas channel (17).