Silnik spalinowo-parowo-elektryczny dwu-czterosuwowy

Dwu obiegowy silnik spalinowo-parowo-elektryczny dwu-czterosuwowy, który może być stosowany we wszelkiego typu pojazdach mechanicznych szczególnie miejskich. Znany z polskiego opisu patentowego nr PL183981, silnik spalinowy dwusuwowy zasilany w paliwo wtryskowo, 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.

Istota silnika według wynalazku polega na tym, że na wale korbowym z lewej i z prawej strony są osadzone przeciwwagi. Nad korpusem jest umieszczony przegrzewacz pary, do którego doprowadzane są spaliny z cylindrów poprzez zawór trójdrożny przewodem spalin, zaś przewodami poprzez zawory parowe korzystnie stożkowe, doprowadzana jest mieszanina pary do kanałów doprowadzających, zasilających mieszaniną spalin i pary części cylindrów o większym przekroju. Wał korbowy jest połączony poprzez sprzęgło z maszyną elektryczną korzystnie, maszyną o jednej parze biegunów.

Korzystnie, w korpusie są osadzone zawory ssące zasysające powietrze do części cylindrów o większym przekroju oraz zawory wydechowe usuwające mieszaniny spalin i pary z części cylindrów o większym przekroju.

Korzystnie, cylindry są wyposażone w kanał odprowadzający spaliny.

Korzystnym jest również to, że sprzęgło jest sprzęgłem kłowym z synchronizatorem, przy czym sprzęgło ma dwa wręby pod kły oraz dwie pary kłów usytuowanych do siebie prostopadle i działających na przemian.

Zasadniczą zaletą silnika, gdy pracuje on jako silnik czterosuwy jest uzyskiwanie przez niego bardzo dużego momentu obrotowego przy małych obrotach, zwłaszcza wraz z maszyną elektryczną oraz prawie całkowite wykorzystanie energii paliwa. Wewnątrz każdego cylindra pracuje dwuprzekrojowy tłok. Cylindry są chłodzone dwojako, wodą, gdy silnik pracuje jako dwusuwowy a przez jej odparowywanie w czasie pracy czterosuwowej. Wtedy para przegrzewana spalinami wykorzystywana jest wraz z nimi do napędu za pomocą części cylindrów i tłoków o większych przekrojach. Z silnikiem tłokowym współpracuje maszyna elektryczna. Łączona jest ona z nim okresowo za pomocą sprzęgła kłowego z synchronizatorem. Sterowanie elektronicznie zaworów za pomocą siłowników elektromagnetycznych umożliwia uzyskiwanie dowolnych kątów ich faz ich otwarcia.

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.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest odtworzony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój podłużny silnika spalinowo-parowo-elektrycznego dwu-czterosuwowego widziany z boku, fig. 2 -przekrój podłużny silnika widziany z góry a fig. 3 - przekrój poprzeczny silnika.

Silnik spalinowo-parowo-elektryczny dwu-czterosuwowy stanowi silnik spalinowy dwusuwowy, który 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 ssące 14 oraz zawory wydechowe 15 o zmiennym kącie otwarcia, są sterowane elektronicznie za pomocą siłowników elektromagnetycznych lub wykorzystujących zjawisko zmiany kształtu przewodu elektrycznego pod wpływem zmiany natężenia prądu.

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 kończy się on przeciwwagą 19. Nad korpusem 1 znajduje się przegrzewacz pary, 20 do którego doprowadzane są spaliny z cylindrów 2 poprzez zawór trójdrożny 21 przewodem spalin 22. Przewody 23 służą do doprowadzania mieszaniny pary do kanałów doprowadzających 3 poprzez zawory parowe 24, służące do zasilania mieszaniną spalin i pary części cylindrów 2 o większym przekroju. Zawory ssące 25 służą do zasysania powietrza do, a wydechowe 26 służą do usuwania mieszaniny spalin i pary z części cylindrów 2 o większym przekroju. Sprzęgło 27 jest sprzęgłem kłowym z synchronizatorem. Ma ono dwa wręby pod kły oraz dwie pary kłów usytuowanych do siebie prostopadle i działających na przemian. Maszyna elektryczna 28 jest maszyną o jednej parze biegunów. Silnik według wynalazku wyposażony jest też w zbiornik i chłodnicę wody wykorzystujący ją, gdy silnik działa jako dwusuwowy. Ma z tego powodu dwa biegi wody. Obieg zamkniętym z chłodnicą wyposażony jest też w termostat a obieg otwarty w hydrostat i ciśnieniową pompę wody. Silnik wyposażony jest też w wymiennik ciepła gdzie podgrzewana jest woda chłodząca, mieszaniną spalin i pary odlotowej, gdy silnik pracuje jako czterosuwowy.

Po starcie, gdy silnik jest jeszcze zimny lub, gdy poziom wody w zbiorniku jest zbyt niski działa on jako dwusuwowy. Wtedy w czasie ruchu jednego z tłoków 4 z ich górnego martwego punktu do dolnego ich części o mniejszym przekroju wykonują suw pracy, a o większym przekroju zasysają poprzez zawór ssący 25 powietrze do współdziałających z nimi części cylindrów. 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 jego otwierany jest zawór, 15 przez który to oraz zawór trójdrożny 21, początkowo usuwane są spaliny do kanału wylotowego 17, a następnie w zależności od stopnia napełnienia cylindrów roboczych usuwane jest też powietrze. Wielkość kąta otwarcia zaworów 15 ustalana jest za pomocą pedału przyspieszacza pompą wtryskową paliwa. Przy czym im mniejsze napełnienie tym większy kąt otwarcia zaworów 15 aż do pełnego jego otwarcia. Poczym następuje sprężanie powietrza i wtrysk paliwa oraz zapłon mieszanki przed górnym martwym punktem tłoka 4. Zawory 14 są stale zamknięte.

Po nagrzaniu się silnik według wynalazku może działać jako czterosuwowy. Wtedy w czasie ruchu jednego z tłoków 4 z jego górnego martwego punktu do dolnego zasysają one powietrze zaworami ssącym 14, przy czym kąt otwarcia tych zaworów jest tym większy im większy jest stopień napełniania cylindrów powietrzem. Ich części o większym przekroju zasilane są, w tym czasie, poprzez zawór parowy 24 mieszaniną spalin i pary, przy czym kąt otwarcia tych zaworów jest tym większy im większy jest stopień napełniania tą mieszaniną cylindrów. Po zmianie kierunku ruchu tłoków następuje sprężanie powietrza i wtrysk paliwa oraz zapłon mieszanki przed górnym martwym punktem. Następnie tłok 4 wykonuje suw pracy. Przed otwarciem wylotów kanałów doprowadzających 3 otwierane są zawory, 15 przez które usuwane są spaliny do przegrzewacza pary, a następnie też chwilowo i przez kanały 3 do części sąsiednich cylindrów o większych przekrojach. Otwierając ciągle zawory ssące 14 a zamykając wydechowe 15, można wykorzystywać ciepło wody i silnika, który pracuje wtedy jako silnik parowy do napędu, po wyłączeniu zasilania, pod koniec podróży lub w korkach ulicznych. Na postoju natomiast, do doładowywania akumulatorów.

Celem wyrównywaniu pracy napędu jedna para kłów sprzęgła 27 pracuje wtedy, gdy maszyna elektryczna 28 pracuje jako prądnica, w tym czasie jej moment maksymalny pokrywa się z maksymalnym momentem silnika pracuje on jako silnik parowy tłokowego. Druga para kłów jest włączana wtedy, gdy maszyna elektryczna pracuje jako silnik, jej moment maksymalny pokrywa się wtedy z minimalnym momentem silnika, co jest szczególnie korzystne, gdy pracuje on jako silnik parowy. Gdy napędza tylko maszyna elektryczna obie pary kłów są wyłączone.

Przekroje poprzeczne górnych części cylindrów 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 pary i spalin w czasie jego pracy jako silnika czterosuwowego, co znacznie zwiększa jego moc i sprawność.

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, że przy mniejszym od połowy maksymalnego obciążeniu można wyłączyć z pracy jeden jego układ napędowy. Otwierając przy tym na stałe zawór wydechowy, 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.