Maszyna tłokowa

Przedmiotem wynalazku jest maszyna tłokowa, przeznaczona do stosowania jako dwusuwowy silnik spalinowy z wtryskiem tunelowym lub innym bezpośrednim, stosowany w maszynach wszelkiego typu, a szczególnie w pojazdach miejskich jako silnik spalinowo-elektryczny zużywający paliwo pochodzenia organicznego oraz znajdujący zastosowanie jako sprężarka tłokowa powietrza lub innych gazów.

Znane są ze stosowania silniki spalinowe dwusuwowe różnego typu. Najbardziej zbliżoną konstrukcją jest przedstawiony w opisie patentu PL 183931 silnik spalinowy dwusuwowy. Jest to dwusuwowy silnik spalinowy zasilany w paliwo wtryskowo, który posiada, co najmniej dwa 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. Z drugiej strony cylindry zamknięte są głowicami zaopatrzonymi w zawory wylotowe o zmiennym kącie otwarcia pozwalające usuwanie nadmiaru powietrza. W mieszczących się korpusie silnika cylindry i tłoki są dwuprzekrojowe, a części ich o większych przekrojach stanowią sprężarki powietrza. Cylindry łączą kanały dolotowe sprężonego powietrza, których wyloty znajdują się w sąsiednich cylindrach silnika tuż nad denkami tłoków w ich dolnym martwym położeniu. Na obu stronach wału korbowego nacięte są krzywki o zmiennym kącie otwarcia, które sterują zaworami wylotowymi za pomocą popychaczy sprzężonych z pedałem przyspieszacza. Kanały dolotowe powietrza do sprężarek zaopatrzone są w płytkowe zawory ssące.

Toksyczność wydzielanych przez silniki spalin zależy w głównej mierze od stopnia utlenienia paliwa, który jest tym większy im więcej dostarcza się powietrza w procesie spalania jak również od stopnia oczyszczania spalin w katalizatorze. Zanieczyszczenie spalinami powietrza zmniejsza zawartość w nim tlenu. Dlatego dla poprawienia składu spalin stosuje się ich separację od powietrza stanowiącego skład mieszanki paliwowej. Szczególnie dobre rezultaty otrzymuje się w silnikach o wtrysku bezpośrednim, wyposażonych w sterowane zawory wylotowe oraz sprężarki powietrza. Komplikują one jednak budowę oraz zwiększają ich masę do tego stopnia, że stają się porównywalne, pod tym względem, z silnikami czterosuwowymi nie dorównując im jednak w czystości spalin.

Istota maszyny tłokowej według wynalazku, polega na tym, że pomiędzy cylindrem roboczym a cylindrem pierwszego stopnia sprężarki umieszczona jest grodź z płytkowymi zaworami ssącymi. zaś wewnątrz cylindrów pracuje trzyprzekrojowy tłok roboczy, którego wał korbowy na swoich końcach osadzony jest w łożyskach ślizgowych. Grodź jest wykonana w postaci owalnej płyty z otworami przelotowymi i kanałem zasilającym zamkniętym na obwodzie półpierścieniami. Cylinder roboczy zasilany jest przez kanał przelotowy a opróżniany kanałem wylotowym, przy czym wylot kanału przelotowego i wlot kanału wylotowego są usytuowane powyżej denka tłoka roboczego, korzystnie kanał wylotowy przymykany jest przepustnicą.
Korzystne jest to, że korbowód zamocowany jest w tłoku za pomocą sworznia tłokowego, przez którego dolną część przechodzi pierścień zgarniający opasujący tłok.
Przestrzenie między cylindrami a częścią tłoka o najmniejszym przekroju, stanowią przestrzenie robocze pierwszego i drugiego stopnia sprężarki powietrza.
Maszyna tłokowa według wynalazku, stanowi silnik dwusuwowy, który ma konstrukcję prostszą od konstrukcji silników czterosuwowych i dzięki temu bardziej zwartą, co w połączeniu z dwutaktowym rytmem pracy czyni go też od nich lżejszym. Możliwość skutecznej separacji powietrza od spalin pozwala na lepsze spalanie mieszanki niż w znanych silnikach dwusuwowych, a większa ilość powietrza w cylindrach i katalizatorze nawet na lepsze jej spalanie w przypadku niepełnego wykorzystania maksymalnej mocy. W tym ostatnim przypadku można się też spodziewać lepszej jego sprawności niż w silnikach czterosuwowych. Dodatkowo większa objętość sprężarki od cylindra roboczego zapewnia dobre usuwanie spalin przy niepełnym jego napełnieniu. Nadmiar powietrza przetłaczany jest przez cylinder roboczy, chłodząc go, zwiększa to energię spalin oraz skuteczność działania katalizatora. Pełne otwarcie przepustnicy wylotowej 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. Brak układu chłodzącego silnika zmniejsza jego ciężar umożliwiając użycie większej maszyny elektrycznej i akumulatora.

Wykaz oznaczeń na rysunku:

1 cylinder roboczy
2 urządzenie wtryskujące paliwo
3 kanał wlotowy powietrza
4 tłok roboczy
5 pierścień uszczelniający
6 kanał przelotowy
7 kanał wylotowy
8 korbowód
9 sworzeń tłokowego
10 panewka
11 tuleja z kołnierzem
12 pierścień zgarniający
13 cylinder pierwszego stopnia sprężarki
14 grodź
15 kanał zasilający
16 półpierścień
17 - pierścień uszczelniający
18 płytka sprężysta
19 płytka sprężysta
20 pierścień zgarniający
21 miska olejowa
22 wał korbowy
23 półpanewka
24 półpanewka
25 uszczelniacz labiryntowy
26 śruba
27 półpanewka
28 półpanewka
29 szpilka
30 nakrętka
31 przepustnica

Stosując sprężarkę powietrza o dużej objętości, można wykorzystać do napędu ciepło chłodzenia oraz energię spalin w turbinie związanej z wałem silnika lub 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 i nie musi posiadać dużej objętości.
Opisany silnik jest w zasadzie silnikiem wysokoprężnym, ale może być on też silnikiem niskoprężnym i w takim przypadku korzystnym jest wyposażyć go w przepustnicę w kanale ssącym lub zawór wydechowy o zmiennym kącie otwarcia. Brak zaworów ułatwia jednak stosowanie paliwa ekologicznego pochodzenia roślinnego nawet niskiej jakości.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji uwidoczniono na rysunku na którym, Fig. 1 przedstawia maszynę tłokową w przekroju podłużnym a Fig. 2 - przekrój poprzeczny maszyny tłokowej.

Przykład 1

Maszyna tłokowa wykonana jako silnik dwusuwowy ma cylinder roboczy 1 zamknięty od góry denkiem z zamocowanym do niego urządzeniem wtryskowym paliwa 2, a od dołu jest on zakończony kołnierzem, w którym jest kanał wlotowy powietrza 3. W cylindrze 1 pracuje tłok roboczy 4 uszczelniony pierścieniami uszczelniającymi 5. Cylinder zasilany jest przez kanał przelotowy 6 a opróżniany kanałem wylotowym 7. W tłoku 4 zamocowany jest korbowód 8 za pomocą sworznia tłokowego 9, ułożyskowanego w nim panewką 10. Sworzeń ten mocuje też tuleję z kołnierzem 11 mającą przewężenie i stanowiącą wraz z tłokiem 4 tłok dwustopniowej sprężarki powietrza. Mocowany odwrotnie pierścień zgarniający 12 opasujący tłok 4 służy jednocześnie do ustalania położenia sworznia tłokowego 9. Cylinder roboczy 2 mocowany jest od dołu do cylindra pierwszego stopnia sprężarki 13 stanowiącego zarazem korpus silnika. Między tymi cylindrami zamknięte jest urządzenie zasysające powietrza składające się z grodzi 14 w postaci płyty z otworami przelotowymi i kanałem zasilającym 15 zamkniętym na obwodzie półpierścieniami 16. Grodź 14 uszczelniona jest pierścieniem uszczelniającym 17, obejmowana jest płytkami sprężystymi 18 i 19. Płytki te wraz z grodzią 14 stanowią płytkowe lub membranowe zawory ssące pierwszego i drugiego stopnia sprężarki powietrza. Pierścień zgarniający 20 uszczelnia cylinder pierwszego stopnia sprężarki powietrza 13, do którego podwieszona jest miska olejowa 21. Między nią a cylindrem ułożyskowany jest wał korbowy 22 za pomocą, półpanewek 23 i 24 uszczelnionymi uszczelniaczami labiryntowymi 25 umocowanymi śrubami 26. Na wale korbowym 22 ułożyskowany jest korbowód 8 za pomocą półpanewki 27 oraz półpanewki 28 mocowanej do niego szpilkami 29 i nakrętkami 30. Kanał wylotowy 7 przymykany jest przepustnicą 31 zamocowaną do cylindra roboczego 2. W tłoku roboczym 4 wykonana są otwory i kanały doprowadzające i odprowadzające olej silnika smarujący jego powierzchnie styku z cylindrem roboczym 2. Przepustnica 31 ma dużą powierzchnię, co w przypadku wykonania jej z ceramicznego katalizatora zwiększa skuteczność oczyszczania spalin oraz ich energię przed turbiną.

Zamiast przepustnicy 31 może być użyty znany ze stosowania w silnikach dwusuwowych zawór obrotowy. Przepustnica ma jednak większą powierzchnię, co w przypadku wykonania jej z ceramicznego katalizatora zwiększa skuteczność oczyszczania spalin oraz ich energię przed turbiną.

Kanał przelotowy 6 spełnia też rolę garbu na tłoku, skierowującego powietrze w głąb cylindra roboczego 2. Przez co denko tłoka roboczego 4 może mieć kształt bardziej korzystny ze względu na spalanie paliwa. Korzystnym jest żeby cylinder pierwszego stopnia sprężarki 13 miał kształt owalny, co skraca długość maszyny tłokowej według wynalazku.

Działanie silnika dwusuwowego według wynalazku jest następujące. W czasie ruchu roboczego tłoka 4 z górnego martwego punktu do dolnego następuje, nad nim, spalanie mieszanki i rozprężanie spalin w cylindrze roboczym 2, w którym jednocześnie następuje sprężanie powietrza pod tym tłokiem w drugim stopniu sprężarki. W cylindrze pierwszego stopnia sprężarki 13 następuje zasysanie poprzez uchylone płytki sprężyste 18 powietrza. Po osiągnięciu ponad połowy skoku tłok 4 odsłania kanał wylotowy, 7 przez który spaliny opuszczają cylinder roboczy 2 i spada ich ciśnienie, którego intensywność zależy od stopnia przymknięcia przepustnicy 31. Następnie odsłaniany zostaje kanał przelotowy 6, i wlatujące nim powietrze z drugiego stopnia sprężarki płukając ten cylinder ochładza jego ścianki. Po zmianie kierunku ruchu tłoka, następuje zasysanie poprzez uchylone płytki sprężyste 19 powietrza do drugiego stopnia sprężarki, natomiast płytki 18 przymykają wlot powietrza, dzięki czemu zostaje ono sprężane aż do chwili dojścia przewężenia w tulei z kołnierzem 11 do grodzi 14. Poczym przez to przewężenie następuje przetłoczenie powietrza z pierwszego do drugiego stopnia sprężarki. Z cylindra roboczego 2 wypierane jest przez tłok roboczy 4 nadmiar powietrza aż do przysłonięcia, przez niego, kanału wylotowego 7. Intensywność tego wypierania zależy od stopnia przymknięcia przepustnicy 31 a ilość też od położenia tego kanału. Następnie powietrze w cylindrze roboczym zostaje sprężane aż do osiągnięcia przez tłok jego górnego martwego punktu, przed którym następuje wtrysk paliwa oraz jego zapłon.

Przykład 2

Maszyna tłokowa wykonana jako sprężarka tłokowa według wynalazku jest zbudowana jak silnik według wykonania 1, z tą różnicą, że zamiast kanału wylotowego 7, przepustnicy 31 i urządzenia wtryskującego paliwo 2, cylinder roboczy 1 zaopatrzony jest w układ zaworów ssąco-wydechowych znany ze stosowania w sprężarkach tego typu. W stosunku do znanych rozwiązań odznacza się ona wielokrotnie większą wydajnością sprężania różnych gazów.
Maszyna tłokowa według wynalazku może być budowana jako jedno lub wielocylinrowa. W dowolnych układach cylindrów pracujących indywidualnie lub w sprzężeniu. Jako silniki maszyny te, ze względu na mały ciężar mogą napędzać poszczególne osie czy nawet koła pojazdów. W razie potrzeby cylindry maszyny można użebrować dla zastosowania chłodzenia powietrznego, co szczególnie może być pożądane w cylindrach sprężarek, a nawet zastosować chłodzenie cieczą.

Zastrzeżenia patentowe

1. Maszyna tłokowa wyposażona w dwuprzekrojowy cylinder współpracujący z tłokiem związanym z wałem korbowym za pomocą korbowodu, przy czym wał korbowy i korbowód są ułożyskowane w komorze korbowodowej zamkniętej miską olejową, znamienny tym, że pomiędzy cylindrem roboczym (1) a cylindrem pierwszego stopnia sprężarki (13) umieszczona jest grodź (14) z płytkowymi zaworami ssącymi, zaś wewnątrz cylindrów (1, 14) pracuje trzyprzekrojowy tłok roboczy (4).
2. Maszyna, według zastrz. 1, znamienna tym, że grodź (14) jest wykonana w postaci płyty z otworami przelotowymi i kanałem zasilającym (15) zamkniętym na obwodzie półpierścieniami (16).
3. Maszyna, według zastrz. 1, znamienna tym, że cylinder roboczy (1) zasilany jest przez kanał przelotowy (6) a opróżniany kanałem wylotowym (7), przy czym wylot kanału przelotowego (6) i wlot kanału wylotowego (7) są usytuowane powyżej denka tłoka roboczego (4).
4. Maszyna, według zastrz. 1, znamienna tym, że korbowód (8) zamocowany jest w tłoku (4) za pomocą sworznia tłokowego (9), przez którego dolną część przechodzi pierścień zgarniający (12) opasujący tłok (4).
5. Maszyna, według zastrz. 1, znamienna tym, że przestrzenie między cylindrami (1, 14) a częścią tłoka (4) o najmniejszym przekroju, stanowią przestrzenie robocze pierwszego i drugiego stopnia sprężarki powietrza.
6. Maszyna, według zastrz. 1, znamienna tym, że kanał wylotowy (7) przymykany jest przepustnicą (31).

Skrót opisu

Maszyna tłokowa według wynalazku, charakteryzuje się tym, że pomiędzy cylindrem roboczym (1) a cylindrem pierwszego stopnia sprężarki (13) umieszczona jest grodź (14) z płytkowymi zaworami ssącymi, zaś wewnątrz cylindrów (1, 14) pracuje trzyprzekrojowy tłok roboczy (4). Grodź (14) jest wykonana w postaci płyty z otworami przelotowymi i kanałem zasilającym (15) zamkniętym na obwodzie półpierścieniami (16). Ponadto cylinder roboczy (1) zasilany jest przez kanał przelotowy (6) a opróżniany kanałem wylotowym (7), przy czym wylot kanału przelotowego (6) i wlot kanału wylotowego (7) są usytuowane powyżej denka tłoka roboczego (4).