PL217990B1 - Silnik spalinowy - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest silnik spalinowy, mający zastosowanie jako element napędu do pojazdów mechanicznych, statków wodnych i powietrznych. Silnik ten można także wykorzystać jako źródło energii w agregatach prądotwórczych, jako sprężarkę powietrza lub jako napęd do różnego rodzaju narzędzi.

Powszechne znane są silniki o ruchu tłoka posuwisto-zwrotnym. Występują różne wersje tego silnika, głównie czterosuwowe benzynowe i diesla oraz dwusuwowe. Silniki te wykorzystują energię cieplną do wytworzenia energii mechanicznej. Dzięki spalaniu wewnętrznemu mieszanki paliwowo-powietrznej, powstaje ciśnienie spalin wywołujące ruch tłoka. W silnikach czterosuwowych obieg pracy odbywa się w czterech suwach tłoka, w silnikach dwusuwowych, w dwóch suwach, natomiast pełen obrót wału korbowego trwa dwa suwy. Silniki dwusuwowe uzyskują zatem większą moc w stosunku do silników czterosuwowych o tej samej pojemności, lecz posiadają od nich więcej wad, (między innymi bardziej zanieczyszczone spaliny). We wszystkich silnikach o posuwisto-zwrotnym ruchu tłoka występują przyspieszenia o zmiennych kierunkach i wartościach ruchu tłoków, które powodują duże siły bezwładności, obciążające części mechanizmu korbowego. Im większa prędkość obrotowa tych silników, tym większe występują w nich opory. Jednym z silników spalinowych tłokowych, który nie charakteryzuje się wyżej wymienionym ruchem tłoków jest silnik Wankla. Posiada on trójkątny tłok obracający się rotacyjnie w eliptycznym cylindrze. Ma on mniejszą masę i wymiary od silników klasycznych tłokowych, lecz ze względu na niekorzystny kształt komory silnika wyróżnia się on także mniejszą sprawnością i gorszą trwałością od silników czterosuwowych.

Poza silnikami spalinowymi tłokowymi rozpowszechnione są także silniki odrzutowe. Występują one w samolotach, helikopterach i czołgach. Są to silniki reakcyjne spalania otwartego, w których siłę napędową stanowi wypływający z dysz czynnik roboczy (najczęściej gorące spaliny). W silnikach turbowałowych znaczna część energii spalin zamieniana jest na energię mechaniczną przekazywaną na wał silnika. Wadą tych silników jest niska ich sprawność na małych wysokościach (czyli tam, gdzie występuje duża gęstość powietrza). Nie posiadają one jednak ograniczenia mocy i stosunek mocy tych silników do ich masy jest znacznie korzystniejszy niż w silnikach spalinowych tłokowych.

Znanym jest także silnik Stirlinga. Jest to silnik tłokowy, który pracuje według zamkniętego obiegu termodynamicznego z regeneracją ciepła, z okresowym sprężaniem i rozprężaniem stale tej samej masy czynnika roboczego. Zaletami tego silnika jest cicha praca, brak układu dolotowego i wylotowego, i duża sprawność. Wadami są duża masa w stosunku do jego mocy, skomplikowana budowa i wysokie koszty wykonania.

Opis wyżej wymienionych silników został przedstawiony między innymi w nowej encyklopedii PWN na stronach 845-848, Nowa Encyklopedia PWN, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1996.

Istota wynalazku, którym jest silnik spalinowy, mający układ zasilania, układ zapłonowy i układ wydechowy, znamienny tym, że ma co najmniej dwie oddzielne komory sprężania-wydechu i co najmniej dwie oddzielne komory ssania-pracy, pomiędzy którymi nie zachodzi bezpośrednia wymiana gazów, w szczególności sprężonego powietrza i spalin, przy czym komory te tworzą co najmniej dwa talerze tłokowe i jeden talerz szczelinowy, obracające się w obudowie silnika, przy czym talerze tłokowe przylegają szczelnie do talerza szczelinowego, natomiast obwiedniowe powierzchnie walcowe talerzy tłokowych ukształtowane są odpowiednio do zewnętrznej powierzchni obwiedniowej przylegającego do nich talerza szczelinowego, poza tym talerze tłokowe mają na obwodzie dwa wypusty każdy, stanowiące tłoki, których powierzchnie wyprofilowane są odpowiednio do zarysu wpustów talerza szczelinowego, poza tym talerze tłokowe i talerz szczelinowy połączone są ze sobą mechanizmem łańcuchowym, umożliwiającym obrót talerzy tłokowych i szczelinowego z tą samą prędkością obrotową, przy czym talerze tłokowe obracają się w przeciwnym do siebie kierunku, dodatkowo układem zasilania jest przewód do dostarczania powietrza atmosferycznego do komory ssania-pracy, ponadto posiada zawory jednostronnie przepustowe przekazujące sprężone powietrze poprzez przewody sprężonego powietrza do zbiornika sprężonego powietrza, a także zawory rozdzielające, usytuowane przed przepustnicą, rozdzielające powietrze sprężone od powietrza atmosferycznego i dostarczające je do komory ssania-pracy ponadto ma otwory pod tłokami spalinowo-sprężającymi i otwory w tłokach spalinowo-sprężających, połączone ze sobą kanalikiem do transportu powietrza pomiędzy przepustnicą, a komorą ssania-pracy, natomiast otwory pod tłokami wydechowo-ssącymi i otwory w tłokach wydechowo-ssących są połączone kanalikiem wewnątrz tłoka wydechowo-ssącego do transportu spalin pomiędzy komorą sprężania-wydechu a przewodem spalinowym.

PL 217 990 B1

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku, uzyskano następujące efekty techniczno-użytkowe:

- brak oporu ruchu tłoków (brak występowania sił bezwładności, ruch tłoka odbywa się po idealnym okręgu),

- możliwość uzyskania bardzo wysokich obrotów i dużej mocy w stosunku do rozmiarów silnika,

- większa efektywność, elastyczność i moc silnika w całym zakresie obrotów, dopasowanie jego charakterystyki działania do aktualnych potrzeb użytkownika,

- z większą skutecznością możliwość odzyskiwania energii od poruszającego się pojazdu (efekt silników hybrydowych),

- brak rozrządu powoduje mniejsze koszta produkcji,

- możliwość chwilowego znacznego zwiększenia mocy (efekt wtrysku podtlenku azotu N2O),

- brak mieszania się spalin z mieszanką wybuchową,

- brak potrzeby istnienia rozrusznika,

- mała waga.

Przedmiot wynalazku w przykładowym wykonaniu uwidoczniono w schematach na rysunkach, gdzie fig. 1 przedstawia silnik kołowy ukazujący jego lewą górną część, fig. 2 przedstawia talerze tłokowe i talerz szczelinowy ukazując lewą górną część talerzy tłokowych i górną część talerza szczelinowego, fig. 3 przedstawia silnik kołowy ukazujący jego lewą dolną część, fig. 4 przedstawia silnik kołowy ukazujący jego prawą dolną część, fig. 5 przedstawia krawędzie przekroju silnika kołowego ukazując jego lewą część, fig. 6 przedstawia talerze tłokowe i talerz szczelinowy ukazując lewą część talerzy tłokowych i boczną część talerza szczelinowego, fig. 7 przedstawia krawędzie przekroju silnika kołowego ukazując jego dolną część, fig. 8 przedstawia talerze tłokowe i talerz szczelinowy ukazując boczną część talerzy tłokowych i dolną część talerza szczelinowego, fig. 9 przedstawia krawędzie przekroju silnika kołowego ukazując jego prawą część, fig. 10 przedstawia talerze tłokowe i talerz szczelinowy ukazując prawą część talerzy tłokowych i boczną część talerza szczelinowego.

Silnik zbudowany jest z trzech sprzężonych ze sobą talerzy: dwóch tłokowych 25 i jednego szczelinowego 6 obracających się w obudowie silnika 24. Talerze tłokowe 25 przylegają ściśle do talerza szczelinowego 6. Powierzchnie walcowe (boczne ściany) talerzy tłokowych 25 są zakrzywione tak, by odpowiadały krzywiźnie zewnętrznej krawędzi obwodowej przylegającego do niej talerza szczelinowego 6. Talerz szczelinowy 6 również posiada powierzchnie walcową zakrzywioną tak, by odpowiadała ona krzywiźnie zewnętrznej krawędzi obwodowej przylegających do niej talerzy tłok owych 25. Ukośne płaszczyzny tłoków i talerza szczelinowego 6, które się wzajemnie ze sobą stykają, gdy tłok przechodzi przez pole talerza szczelinowego 6, są tak odpowiednio wyprofilowane, by ściśle do siebie przylegały. Zębatki 27 z łańcuchami 26 (mechanizm łańcuchów można zamienić na mechanizm śrubowy) łączą talerze tłokowe 25 i talerz szczelinowy 6 tak, by obracały się one jednocześnie z tą samą prędkością obrotową (talerze tłokowe 25 obracają się w przeciwnym do siebie kierunku). Wolną przestrzeń pomiędzy obudową silnika 24 i tłokami 1 i 7 stanowią komory sprężania-wydechu 5 i ssania-pracy 15. Komory sprężania-wydechu 5 i komory ssania-pracy 15 w trakcie obrotu, gdy znajdą się w polu talerza szczelinowego 6 zostają rozdzielone przez wspomniany talerz szczelinowy 6. Talerz szczelinowy 6 obracając się tak, by miejsce szczeliny tłokowej 29 spotykało się z tłokami 1 i 7 umożliwiając tym samym dalszy ruch talerzy tłokowych 25. Silnik posiada przewód powietrza atmosferycznego 30 umożliwiające zasysanie powietrza atmosferycznego, przewody sprężonego powietrza 9 umożliwiający gromadzenie sprężonego powietrza w zbiorniku sprężonego powietrza 10, którego kształt i umiejscowienie może być dowolne. Silnika posiada wtryski paliwa 16, które zamontowane są w obudowie silnika 24 tuż obok świec zapłonowych 17. Silnik posiada zawory jednostronnie przepustowe 8 i 22. Zawór jednostronnie przepustowy 8 uniemożliwia powrót sprężonego powietrza do komory sprężania-wydechu 5, a zawór jednostronnie przepustowy 22 uniemożliwia powrót spalin do komory ssania-pracy 15. Zawory rozdzielające 11 umiejscowione są przed przepustnicą 12. Rolą zaworów rozdzielających 11 jest doprowadzanie powietrza atmosferycznego lub powietrza sprężonego do komory ssania-pracy 15. Otwory 13 pod tłokami spalinowo-sprężającymi 7 i otwory 14 w tłokach spalinowo-sprężających 7 są ze sobą połączone kanalikiem wewnętrznym 31 wewnątrz tłoka spalinowo-sprężającego 7 i służą do transportu sprężonego i niesprężonego powietrza pomiędzy przepustnicą 12 a komorą ssania-pracy 15 oraz służą do transportu powietrza atmosferycznego pomiędzy kanałem dolotowym powietrza 23 a komorą ssania-pracy 15. Otwory 19 pod tłokami wydechowo-ssącymi 1 i otwory 18 w tłokach wydechowo-ssących 1 są ze sobą połączone kanalikiem wewnętrznym 32 wewnątrz tłoka wydechowo-ssącego 1 i służą do transportu spalin pomiędzy komorą ssania-pracy 15

PL 217 990 B1 a przewodem spalinowym 20. Silnik ten na jeden obrót wału napędowego inicjować może od zera do tylu cyklów pracy silnika, ile silnik posiada talerzy tłokowych 25 (w tym wypadku maksymalnie dwa cykle zapłonów mieszanki paliwowo-powietrznej).

Tłok wydechowo-ssący 1 oddalając się od podłużnego otworu 2 zasysa powietrze, które przechodząc z kolektora dolotowego 3, przez przewód powietrza atmosferycznego 30 i otwór w obudowie silnika 4, dostaje się do komory sprężania-wydechu 5. Powietrze będące w komorze sprężania-wydechu 5 zostaje sprężane pomiędzy talerzem szczelinowym 6 a tłokiem spalinowo-sprężającym 7. Sprężone powietrze przedostaje się zaworem jednostronnie przepustowym 8 poprzez przewody sprężonego powietrza 9 do zbiornika sprężonego powietrza 10. Ze zbiornika 10 sprężone powietrze poprzez przewody 9 i zawory rozdzielające 11, które zamykają jednocześnie dojście powietrza atmosferycznego z kolektora dolotowego 3, przechodzi do przepustnicy 12. Sprężone powietrze przechodzi do otworu pod tłokiem 13 gdzie przechodzi dalej kanalikiem wewnętrznym 31 do otworu w tłoku 14, z którego wychodzi do komory ssania-pracy 15. Wtryśnięte zostaje paliwo przez wtryskiwacze paliwa 16, po czym świece zapłonowe 17 zapalają mieszankę wybuchową. Z komory ssania-pracy 15 spaliny wydostają się przez otwór w tłoku 18, gdzie przechodzą kanalikiem wewnętrznym 32 do otworu w tłoku 19. Dalej udają się do przewodu spalinowego 20 i wydostają się układem wydechowym 21 na zewnątrz silnika. Gdy spaliny opuszczają komorę ssania-pracy 15, przez zawór jednostronnie przepustowy 22, a następnie kanał dolotowy powietrza 23, do komory ssania-pracy 15 dostaje się powietrze zasysane przewodami powietrza atmosferycznego 30 celem przeczyszczenia komory ssania-pracy 15.

Tłok wydechowo-ssący 1 oddalając się od podłużnego otworu 2 zasysa powietrze, które przechodząc z kolektora dolotowego 3, przez przewód powietrza atmosferycznego 30 i otwór w obudowie silnika 4, dostaje się do komory sprężania-wydechu 5. Powietrze będące w komorze sprężania-wydechu 5 zostaje sprężane pomiędzy talerzem szczelinowym 6 a tłokiem spalinowo-sprężającym 7. Sprężone powietrze przedostaje się zaworem jednostronnie przepustowym 8 poprzez przewody sprężonego powietrza 9 do zbiornika sprężonego powietrza 10. Zawory rozdzielające 11 blokują przepływ sprężonego powietrza od zbiornika 10, a otwierają dojście powietrza atmosferycznego z przewodów powietrza atmosferycznego 30. Zasysane powietrza atmosferyczne przez tłok spalinowo-sprężający 7 przechodzi do otworu w tłoku 13, gdzie przechodzi dalej kanalikiem wewnętrznym 31 w tłoku spalinowo-sprężającym 7 do otworu w tłoku 14, z którego wychodzi do komory ssania-pracy 15. Nie zostaje wtryśnięte paliwo i nie występuje zapłon. Z komory ssania-pracy 15 powietrze wydostają się w ten sam sposób, co uprzednio spaliny (na tym etapie działania silnika w zbiorniku sprężonego powietrza 10 kumuluje się duża jego ilość. Gdy później energia ta wykorzystana ma być na rozpędzenie pojazdu, przez przepustnicę można przepuścić większą ilość sprężonego powietrza niż potrzebna jest ona do napędzenia silnika poprzez zapłon mieszanki powietrzno-paliwowej. W takim wypadku również wtedy nie dochodzi do wtryśnięcia paliwa, a silnik i tak napędzany zostaje z uwagi na większą pojemność rozprężanego powietrza od całkowitej pojemności komory ssania-pracy 15. Sytuacja ta występować może w dwóch lub tylko w jednym talerzu tłokowym równocześnie).

Claims (1)

1. Silnik spalinowy, mający układ zasilania, układ zapłonowy i układ wydechowy, znamienny tym, że ma co najmniej dwie oddzielne komory sprężania-wydechu (5) i co najmniej dwie oddzielne komory ssania-pracy (15), pomiędzy którymi nie zachodzi bezpośrednia wymiana gazów, w szczególności sprężonego powietrza i spalin, przy czym komory te tworzą co najmniej dwa talerze tłokowe (25) i jeden talerz szczelinowy (6), obracające się w obudowie (24) silnika, przy czym talerze tłokowe (25) przylegają szczelnie do talerza szczelinowego (6), natomiast obwiedniowe powierzchnie walcowe talerzy tłokowych (25) ukształtowane są odpowiednio do zewnętrznej powierzchni obwiedniowej przylegającego do nich talerza szczelinowego (6), poza tym talerze tłokowe (25) mają na obwodzie dwa wypusty każdy, stanowiące tłoki (1), (7), których powierzchnie wyprofilowane są odpowiednio do zarysu wpustów (29) talerza szczelinowego (6), poza tym talerze tłokowe i talerz szczelinowy (6) połączone są ze sobą mechanizmem łańcuchowym, umożliwiającym obrót talerzy tłokowych (25) i szczelinowego (6) z tą samą prędkością obrotową, przy czym talerze tłokowe obracają się w przeciwnym do siebie kierunku, dodatkowo układem zasilania jest przewód (30) do dostarczania powietrza atmosferycznego do komory ssania-pracy (15), ponadto posiada zawory jednostronnie przepustowe (8) przePL 217 990 B1 kazujące sprężone powietrze poprzez przewody sprężonego powietrza (9) do zbiornika sprężonego powietrza (10), a także zawory rozdzielające (11), usytuowane przed przepustnicą (12), rozdzielające powietrze sprężone od powietrza atmosferycznego i dostarczające je do komory ssania-pracy (15), ponadto ma otwory (13) pod tłokami spalinowo-sprężającymi (7) i otwory (14) w tłokach spalinowo-sprężających (7), połączone ze sobą kanalikiem (31) do transportu powietrza pomiędzy przepustnicą (12) a komorą ssania-pracy (15), natomiast otwory (19) pod tłokami wydechowo-ssącymi (1) i otwory (18) w tłokach wydechowo-ssących (1) są połączone kanalikiem (32) wewnątrz tłoka wydechowo-ssącego (1) do transportu spalin pomiędzy komorą sprężania-wydechu (5) a przewodem spalinowym (20).