Mechanizm rozrządu silnika spalinowo-elektrycznego

Treścią referatu jest opis mechanizmu rozrządu przeznaczonego do sterowania zaworami wydechowymi silników spalinowych o wtrysku bezpośrednim, szczególnie używanych do napędu pojazdów w miastach. Istotą przedstawianego mechanizmu jest zastosowanie na wałku rozrządu, oprócz znanej w dotychczas powszechnie krzywki o stałym kącie działania, dodatkowych krzywek ze zmiennym i z dużym kątem otwarcia sterujących zaworami wylotowymi silnika w zależności od stopnia wykorzystania maksymalnej mocy silnika.

W mechanizmie tym, zastosowano na wałku rozrządu przesuwnie zamocowany korpus z naciętymi na nim krzywkami, sterującymi otwarciem zaworów wylotowych współpracujące z ich dźwigienkami lub popychaczami zaworów. Jedna z nich ma zmieniający się wzdłuż osi wału kąt działania druga natomiast łączy je, przez co ma ten kąt o wiele większy. Przemieszczane wzdłuż osi wału tych krzywek w zależności od stopnia napełnienia cylindra powietrzem za pomocą siłowników sterowanych pedałem przyspieszania. Silnik z omawianym mechanizmem składa się z równej liczbie cylindrów częściowo niezależnych układów napędowych, które mogą mięć różne stopnie napełnienia w przestrzeniach roboczych poszczególnych cylindrów. Mogą też być wyłączane lub pracować pojedynczo.

Powietrze zasysane do cylindra podczas ruchu tłoka z górnego do dolnego martwego punktu, poprzez zawory ssące. Przed zamknięciem tych zaworów następuje otwarcie zaworów wylotowych za pomocą krzywek o zmiennym kącie otwarcia. Kąt tego otwarcia jest tym większy im mniejszy jest stopień napełnienia cylindrów. Następnie do cylindrów wtryskiwane jest paliwo a wytworzona przez to mieszanka sprężana jest przez tłoki do ich górnego martwego punktu, przed którym następuje zapłon mieszanki. Następnie tłok wykonuje ruch poboczy do dolnego martwego punktu tłoka. Przed tym punktem następuje otwarcie zaworów wydechowych za pomocą krzywek o stałym kącie otwarcia, po czym następuje suw wydechu. Przesuwając w krańcowe położenie korpus krzywek powoduje się to, że podczas ruchu sprężania, pracy i wydechu zawór wylotowy jest otwarty. Umożliwia to rozruch silnika spalinowego maszyną elektryczną zamiast rozrusznikiem. Maszyna ta może służyć też, oprócz ładowania akumulatorów silnikiem, do odzyskowego hamowania nią pojazdu przed oraz do jego napędu na skrzyżowaniach, przystankach a szczególnie w korkach ulicznych, co jest bardzo korzystne ekologicznie. Wirnik tej maszyny może służyć też jako koło zamachowe silnika spalinowego.

Główną niedogodnością silników spalinowych, stosowanych do napędu pojazdów w miastach, jest wzmożone zanieczyszczanie środowiska przez wydzielane przez nie spaliny oraz spadek ich sprawności Zanieczyszczenie spalin zwiększa się wraz z pogorszeniem spalania, wywoływanym spadkiem jego temperatury, podczas obniżania stopnia napełniania cylindrów powietrzem celem zmniejszenia mocy silnika. Dla uzyskania pewniejszego zapłonu wzbogacana jest też mieszanka powietrza z paliwem, co utrudnia oczyszczanie spalin w katalizatorze, który otrzymuje wtedy stosunkowo mniej powietrza. W pojazdach używanych w miastach problemem jest też strata energii podczas ich hamowania, co zmniejsza nie tylko ekonomiczność eksploatacji tych pojazdów, ale zwiększa zanieczyszczenie oraz temperaturę otoczenia. Celem zmniejszenia tych strat stosuje się akumulacyjne układy napędowe pozwalające na odzyskowe hamowanie rozpędzonych mas. Najczęściej stosowany jest układ hybrydowy składający się z silnika spalinowego i maszyny elektrycznej wraz z dodatkowymi akumulatorami nazywany silnikiem spalinowo-elektrycznym. Przedstawiony w opisie patentu PL 183981 B1, silnik nadaje się wprawdzie szczególnie do takiego zastosowania, ale jest silnikiem dwusuwowym i zastosowany w nim mechanizm rozrządu nadaj się tylko do niego.

Istotą przedstawianego mechanizmu jest zastosowanie na wałku rozrządu, czterosuwowego silnika spalinowego, oprócz znanej w dotychczas powszechnie krzywki o stałym kącie działania, dodatkowych krzywek ze zmiennym i z dużym kątem otwarcia sterujących zaworami wylotowymi silnika w zależności od stopnia wykorzystania maksymalnej mocy silnika. Mechanizm ten nadaje się szczególnie do zastosowania w czterosuwowych niskoprężnych silnikach spalinowych, ale może też służyć, po modyfikacji, do sterowania zaworami wydechu w silnikach dwusuwowych.
W mechanizmie tym, zastosowano na wałku rozrządu przesuwnie zamocowany korpus z naciętymi na nim krzywkami, sterującymi otwarciem zaworów wylotowych współpracujące z ich dźwigienkami lub popychaczami zaworów. Jedna z nich ma zmieniający się wzdłuż osi wału kąt działania druga natomiast łączy je, przez co ma ten kąt o wiele większy. Przemieszczane wzdłuż osi wału tych krzywek w zależności od stopnia napełnienia cylindra powietrzem za pomocą siłowników sterowanych pedałem przyspieszania. Silnik z omawianym mechanizmem składa się z równej liczbie cylindrów częściowo niezależnych układów napędowych, które mogą mięć różne stopnie napełnienia w przestrzeniach roboczych poszczególnych cylindrów. Mogą też być wyłączane lub pracować pojedynczo.

Działanie silnika z przedstawianym mechanizmem rozrządu jest następujące. Powietrze zasysane do cylindra podczas ruchu tłoka z górnego do dolnego martwego punktu, poprzez zawory ssące. Przed zamknięciem tych zaworów następuje otwarcie zaworów wylotowych za pomocą krzywek o zmiennym kącie otwarcia. Kąt tego otwarcia jest tym większy im mniejszy jest stopień napełnienia cylindrów. Krzywki o zmiennym kącie otwarcia pełnią, więc też funkcję przepustnic powietrza Następnie do cylindrów wtryskiwane jest paliwo a wytworzona przez to mieszanka sprężana jest przez tłoki do ich górnego martwego punktu, przed którym następuje zapłon mieszanki. Następnie tłok wykonuje ruch poboczy do dolnego martwego punktu tłoka. Przed tym punktem następuje otwarcie zaworów wydechowych za pomocą krzywek o stałym kącie otwarcia, po czym następuje suw wydechu. Przesuwając w krańcowe położenie korpus krzywek wywołujemy działanie krzywki o dużym kącie otwarcia łączącej krzywki o zmiennym i stałym kącie działania, co powoduje, że podczas ruchu sprężania, pracy i wydechu zawór wylotowy jest otwarty. Dopływ paliwa jest w tym czasie odcięty.
Dla uzyskania zmniejszenia mocy silnika, po suwie zasysania powietrza następuje otwarcie zaworu wylotowego za pomocą krzywki o zmiennym kącie otwarcia. Powoduje to zmniejszania napełnienia cylindra. Niewykorzystane powietrze 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 z mechanizmami rozrządu według wynalazku napełnienie to można zwiększyć a przez to poprawić nie tylko skład spalin, ale i sprawność silnika w ten sposób, że prze mniejszym maksymalnego obciążeniu można wyłączyć z pracy jeden lub nawet kilka jego cylindrów. Otwierając przy tym w nich przez trzy suwy tłoka zawór wylotowy, wyłączonego cylindra, zmieniany jest on w pompę tłoczącą powietrze do układu wydechowego silnika zwiększając skuteczność działania jego katalizatora. Zmniejsza to opory ruchu niepracującego cylindra a wlatujące do niego spaliny ogrzewają go i przez to jest utrzymywany w ciągłej gotowości do pracy. Inne cylindry muszą wtedy rozwijać większą moc a przez to mieć większe napełnienie, co zapewnia większą ich sprawność. Zamknięcie zaworów wydechowych podczas otwarcia zaworu ssącego zabezpiecza układ dolotowy silnika przed spalinami.

Możliwość eliminacji suwu sprężania umożliwia rozruch silnika spalinowego maszyną elektryczną zamiast rozrusznikiem. Maszyna ta może służyć też, oprócz ładowania akumulatorów silnikiem, do odzyskowego hamowania pojazdu przed oraz do jego napędu na skrzyżowaniach, przystankach a szczególnie w korkach ulicznych, co jest bardzo korzystne ekologicznie. Wirnik tej maszyny może służyć też jako koło zamachowe silnika spalinowego. Ze względu na możliwość równoczesnego napędzania pojazdu oboma silnikami układu omawiany mechanizm według pozwala na znaczne obniżenie jego masy.

Wykonanie I

Mechanizm rozrządu przedstawiony jest w przykładowych wykonaniach na rysunku. Gdzie jako Rysunek 1 przedstawia przekrój poprzeczny, natomiast jako Rysunek 2 oznaczono jego przekrój podłużny widziany z boku, Rysunek 3 taki sam przekrój widziany z dołu. Mechanizm ten składa się z korpusu krzywek 1 z naciętą na nim krzywką o stałym kącie otwarcia 2, krzywką o zmiennym kącie otwarcia 3 oraz krzywką o dużym kącie otwarcia 4. Krzywki te naciskają na dźwigienkę zaworu 5, która z jednej strony opiera się na popychaczu hydraulicznym lub sworzniu dźwigienki 6 a na drugim na trzonku zaworu lub końcówce popychacza hydraulicznego zaworu 7. Korpus krzywek 1 zamocowany jest przesuwnie za pomocą ruchomych wpustów 8 na wałku rozrządu 9, który ułożyskowany jest poprzez pierścień łożyskowy 10 w łożysku ślizgowym 11. Krzywki wraz z korpusem przesuwane są siłownikiem za pomocą nasuwy 12.

Działanie silnika z omawianym mechanizmem jest następujące. Powietrze zasysane do cylindrów podczas ruchu tłoka z górnego do dolnego martwego punktu, poprzez zawory ssące. Przed zamknięciem tych zaworów następuje otwarcie zaworów wylotowych 7 za pomocą krzywek o zmiennym kącie otwarcia zaworu 3. Kąt tego otwarcia jest tym większy im mniejszy jest stopień napełnienia cylindrów. Realizowane to jest przez przesuwanie korpusu krzywek 1 od jego lewego położenia krańcowego, w którym pracuje tylko krzywka o stałym kącie otwarcia zaworu 2 w prawo siłownikiem za pomocą nasuwy 12. Następnie do cylindra wtryskiwane jest paliwo a wytworzona przez to mieszanka sprężana jest przez tłok do jego górnego martwego punktu, przed którym następuje zapłon mieszanki. Po czym tłok wykonuje ruch roboczy do dolnego martwego punktu tłoka. Przed tym punktem następuje otwarcie zaworów wydechowych za pomocą krzywek o stałym kącie otwarcia zaworu 2 i następuje wydech. Krzywki o zmiennym kącie otwarcia zaworu 3 pełnią więc też funkcję przepustnicy powietrza Przemieszczając w jego prawe krańcowe położenie korpus krzywek 1 wywołujemy działanie krzywki o dużym kącie otwarcia, która łączy krzywki o zmiennym i stałym kącie działania co powoduje, że podczas ruchu sprężania, pracy i wydechu zawór wylotowy jest otwarty. Większa ilość powietrza w katalizatorze pozwala na lepsze jej oczyszczanie w przypadku niepełnego wykorzystania maksymalnej mocy silnika. Przez większe napełnienie pracujących cylindrów można skutecznie zwiększyć jego sprawności.

Wykonanie II

Rysunek 4 i 5 przedstawiają na rysunku fragment z omawianym mechanizmem, którego krzywki działają bezpośredniego na zawór lub jego popychacz hydrauliczny 13. Przy czym fig 4. przedstawia fragment tego mechanizmu w przekroju podłużnym a Rysunek 5 jego przekrój i widok podłużny. Mechanizm ten wykonany jest tak jak w wykonaniu I z tym, że nie posiada dźwigienki zaworu a pokrywka 14 służy do prowadzenia popychacza hydraulicznego zaworu oraz zabezpieczenia go przed obracaniem się.

Omawianym mechanizm w wykonaniu I i II zamontowany jest w głowicy silnika spalinowego 15. Celem zabezpieczenia dźwigienki zaworu 5 przed siłą boczną wywoływaną przez krzywki 3 i 4 ma łukowy kształt i wyposażona jest na swych końcach w boczne obrzeża a hydrauliczny popychacz dźwigienki 6 ma walcowe zakończenie. Tworząca krzywki 4 o dużym kącie otwarcia ma zarys krzywoliniowy dla zmniejszenia skoku korpusu krzywek 1. Nasuwy 12 mogą łączyć się z korpusami krzywek 1 za pomocą wpustów 8 pojedynczo lub z kilkoma np. wszystkimi naraz.
Stosując doładowanie silnika z przedstawionym mechanizmem można go chłodzić przez przedmuchiwanie jego cylindrów powietrzem i wykorzystać do napędu ciepło tego chłodzenia przy napełnianiu sprężonym w turbosprężarce powietrzem cylindrów, które pracują wtedy jako silnik powietrzny. Opisany mechanizmami rozrządu nadaje się w zasadzie do stosowania w silnikach niskoprężnych, ale może być też stosowany do silników wysokoprężnych i w takim przypadku nie potrzeba w nim stosować krzywek o zmiennym kącie otwarcia.

Przedstawiony mechanizm pełni rolę mechanizmu rozrządu z krzywkami wirtualnymi. Zmienność jego działania jest uzyskiwana na drodze mechanicznej, przez co może on pracować przy większych prędkościach obrotowych niż jest to możliwe przy stosowaniu innych napędów jego zaworów.