Rozrząd silnika niechłodzonego

Przedmiotem wynalazku jest rozrząd silnika niechłodzonego, stosowany do sterowania wszelkiego rodzaju zaworami, niechłodzonych silników spalinowych o wtrysku bezpośrednim. W niechłodzonych silnikach spalinowych następuje wypalanie się gniazd i grzybków zaworów. Pomimo wielu zabiegów głównie polegających na wykładaniu ich czynnych powierzchni materiałami ceramicznymi nie osiągnięto zadowalających rezultatów.

Dzieje się to szczególnie w silnikach stosowanych do napędu pojazdów w miastach a rezultatem 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.

Znane z polskiego opisu patentowego nr 189273, mechanizm rozrządu składa się z korpusu krzywek z naciętą na nim krzywką o stałym kącie otwarcia zaworu, krzywką o zmiennym kącie otwarcia zaworu oraz krzywką o dużym kącie otwarcia zaworu. Krzywki te naciskają na dźwigienkę zaworu, która z jednej strony opiera się na hydraulicznym popychaczu dźwigienki a z drugiej na końcu zaworu. Korpus krzywek zamocowany jest przesuwnie za pomocą przesuwnych wpustów na wałku rozrządu, który ułożyskowany jest poprzez pierścień łożyskowy w łożysku ślizgowym osadzonym w głowicy silnika spalinowego. Krzywki wraz z korpusem krzywek przesuwane są siłownikiem za pomocą nasuwy. Celem zabezpieczenia dźwigienki zaworu przed siłą boczną wywoływaną przez krzywkę o zmiennym kącie otwarcia zaworu oraz krzywkę o dużym kącie otwarcia zaworu nadano jej łukowy kształt i wyposażono na końcach w boczne obrzeża natomiast hydrauliczny popychacz dźwigienki ma główkę w kształcie walca. Krzywka o dużym kącie otwarcia zaworu ma zarys krzywoliniowy dla zmniejszenia skoku korpusu krzywek. Nasuwa jest połączona z korpusem krzywek za pomocą co najmniej jednego przesuwnego wpustu.

Istota rozrządu, według wynalazku polega na tym, ze korpus krzywek z krzywkami zamocowany przesuwnie za pomocą ruchomych wpustów na wałku rozrządu, ułożyskowany jest poprzez nasadę tarczy zaworu dolotowego w łożysku ślizgowym umieszczonym w obudowie kanałów. Tarcza zaworu dolotowego sterująca przepływem powietrza umieszczona jest w kanale dolotowym, natomiast tarcza zaworu wylotowego umieszczona jest w obudowie kanału wylotowego.

Korzystnie, tarcza zaworu dolotowego ma zmniejszoną średnicę na jednej czwartej obwodu i tarcza zaworu wylotowego ma zmniejszoną średnicę na trzech czwartych obwodu.

Zaletą wynalazku jest zastosowanie tych samych zaworów grzybkowych jako zasysających powietrze i zarazem wydalających spaliny nazywane dalej ssąco-wydechowymi. Powoduje to, że zawory są chłodzone nie tylko nadmiarem powietrza, ale też podczas jego zasysania. W tym celu na wałku rozrządu, czterosuwowego silnika spalinowego , oprócz krzywek ze zmiennym i z dużym kątem otwarcia sterujących zaworami silnika w zależności od stopnia wykorzystania maksymalnej mocy silnika zastosowano dwa zawory tarczowe sterujące dopływem oraz wylotem nadmiaru powietrza i wylotem spalin. Mechanizm ten nadaje się szczególnie do zastosowania w czterosuwowych niechłodzonych niskoprężnych silnikach spalinowych, ale może też służyć do sterowania zaworami w niechłodzonych silnikach wysokoprężnych. Na wałku rozrządu przesuwnie zamocowany korpus z naciętymi na nim krzywkami, sterującymi otwarciem zaworów ssąco-wydechowych współpracujące z ich dźwigienkami lub popychaczami zaworów. Jedna z nich ma stały a druga zmieniający się wzdłuż osi wału kąt działania, trzecia natomiast ma ten kąt pełny. Przemieszczane wzdłuż osi wału tych krzywek w zależności od stopnia napełnienia cylindra powietrzem za pomocą siłowników sterowanych pedałem przyspieszania. Po obu stronach korpusu z krzywkami zainstalowane są zawory tarczowe na kanałach wlotowych i wylotowych. Ponadto rozrząd składa się z równej liczbie cylindrów częściowo niezależnych układów napędowych, które mogą mieć różne stopnie napełnienia w przestrzeniach roboczych poszczególnych cylindrów. Mogą też być wyłączane lub pracować pojedynczo.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny rozrządu silnika niechłodzonego, fig. 2 - przekrój rozrządu silnika niechłodzonego widziany z dołu, fig. 3 - rozrząd silnika niechłodzonego widziany z boku, fig. 4 - przekrój poprzeczny rozrządu silnika niechłodzonego przez zawór tarczowy na kanale ssącym, fig. 5 - fragment rozrządu silnika niechłodzonego o krzywkach działających bezpośredniego na zawór w przekroju podłużnym, a fig. 6 - przekrój i widok podłużny fragmentu rozrządu o krzywkach działających bezpośredniego na zawór.

Przykład 1

Rozrząd silnika niechłodzonego zawiera korpus 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 nasadę tarczy 10 w łożysku ślizgowym 11 umieszczonym w obudowie kanałów 12. Tarcza 10, sterująca przepływem powietrza w kanale 16, ma zmniejszoną średnicę na jednej czwartej obwodu. Krzywki wraz z korpusem przesuwane są siłownikiem za pomocą nasuwy 13. W obudowie kanału wylotowego  17 umieszczona jest tarcza 18 ze zmniejszoną na trzech czwartych obwodu średnicą. Pokrywy 19 i 20 osłaniają tarcze 10 i 18 przed olejem.

Działanie silnika z mechanizmami rozrządu według wynalazku jest następujące. Powietrze zasysane do cylindra podczas ruchu tłoka z górnego do dolnego martwego punktu, poprzez kanały wlotowe 16 oraz zawory ssąco-wydechowe sterowane za pomocą krzywek o zmiennym kącie otwarcia 3. Przed jego osiągnięciem następuje zamykanie kanałów dolotowych 16 za pomocą tarczy zaworów dolotowych 10, a otwieranie kanałów wylotowych 17, przez które jest wydmuchiwany nadmiar zassanego powietrza. Zawory ssąco-wydechowe są dalej otwarte a kąt tego otwarcia jest tym większy im mniejszy jest stopień napełnienia cylindrów. Krzywki o zmiennym kącie otwarcia 3 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 roboczy do dolnego martwego punktu tłoka. Przed tym punktem następuje otwarcie zaworów ssąco-wydechowych, po czym następuje suw wydechu. Przesuwając w krańcowe położenie korpusu krzywek 1 wywołujemy działanie krzywki o pełnym kącie otwarcia 4, co powoduje, że podczas ruchu sprężania, pracy i wydechu zawór ssąco-wylotowy jest otwarty. Dopływ paliwa jest w tym czasie odcięty.

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.

Przykład 2

Rozrząd silnika niechłodzonego wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że krzywki 2, 3, 4 działają bezpośredniego na zawór lub jego popychacz hydrauliczny 15.

Rozrząd silnika niechłodzonego według wynalazku, zamontowany jest w głowicy silnika spalinowego. 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 walcowe zakończenie. Krzywka o dużym kącie otwarcia 4 ma zarys krzywoliniowy dla zmniejszenia skoku korpusu krzywek 1. Nasuwy 13 mogą łączyć się z korpusami krzywek 1 za pomocą wpustów 8 pojedynczo lub z kilkoma np. wszystkimi naraz.

Dla uzyskania zmniejszenia mocy silnika, po suwie zasysania powietrza następuje otwarcie zaworu ssąco-wydechowego za pomocą krzywki o zmiennym kącie otwarcia 3. Powoduje to zmniejszania napełnienia cylindra. Niewykorzystane powietrze przetłaczane jest do układu wydechowego, chłodząc zawory ssąco-wydechowe, 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 mechanizmem rozrządu według wynalazku napełnienie to można zwiększyć a przez to poprawić nie tylko skład spalin, ale i sprawność silnika w ten sposób, że przy mniejszym od maksymalnego obciążeniu można wyłączyć z pracy jeden lub nawet kilka jego cylindrów. Otwierając przy tym w nich przez wszystkie suwy tłoka zawór ssąco-wydechowy, 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 tarczowych na kanałach dolotowych podczas wydechu 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 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 mechanizm rozrządu według wynalazku pozwala na znaczne obniżenie ich masy.