PL166819B1 - Turbine-piston internal combustion engine - Google Patents

Abstract

1. Spalinowy silnik turbotłokowy zawierający cylinder, wewnątrz którego znajduje się tłok połączony z wałem korbowym, znamienny tym, że tłok (5) w dolnej części posiada dwa deflektory ułożone przeciwległe do siebie, natomiast od góry zakończony jest płaskim denkiem, ponad który, przeciwległe po obu stronach tłoka, wypiętrzają się sinusoidalne kołnierze, będące przedłużeniem płaszcza tłoka, zaś wał korbowy (6) posiadającyco najmniejjedno skośne wykorbienie,umiejscowionyjesttak, że jego masa rozłożona jest symetrycznie po obu stronach osi wału korbowego (6) i połączony jest przegubowo poprzez popychacz (10) z oporą wahliwą (11) osadzoną na talerzu wirującym (12), sterowanym poprzez przekładnię zębatą.1. Combustion turbo piston engine including cylinder inside which it is located a piston connected to the crankshaft, characteristic in that the piston (5) has two in its lower part deflectors arranged opposite to each other, while it has a flat bottom at the top, over which, opposite on both sides the piston, the sinusoidal flanges are bulging, being an extension of the piston skirt, and a crankshaft (6) having at least one oblique crank, positioned so that its mass is distributed symmetrically on both sides of the crankshaft axis (6) and connected is articulated through the follower (10) with oscillating support (11) mounted on the rotating plate (12), controlled by the gearbox notched.

Description

Przedmiotem wynalazku jest spalinowy silnik turbotłokowy.The present invention relates to an internal combustion turbo-piston engine.

Spalinowe siliniki tego typu stworzone w końcu XIX wieku zdominowały światowy przemysł i komunikację, co trwa po dzień dzisiejszy. Silniki te po ulepszeniach technicznych (rosnąca liczba zaworów przypadająca na jeden cylinder, doładowanie itp.) oraz technologicznych i materiałowych (dążenie do lżejszych i trwalszych materiałów konstrukcyjnych) są bezkonkurencyjne w stosunku do innych spalinowych silników tłokowych, np. silników Wankla czy Stirlinga, przewyższając je przede wszystkim trwałością i niskim zużyciem paliwa. Rodzinę tych silników tworzą siliniki dwu i czterosuwowe oraz wysokoprężne. Ich cechą wspólną jest podobna budowa oraz identyczna zasada działania, a mianowicie tłok porusza się posuwisto-zwrotnie w zamkniętym od góry głowicą cylindrze, od spodu połączony jest wahliwie korbowodem z korbą wału korbowego silnika. Układ ten umożliwia zamianę ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka na obrotowy wału silnika.Combustion engines of this type, created at the end of the 19th century, dominated the global industry and communication, which continues to this day. These engines, after technical improvements (increasing number of valves per cylinder, supercharging, etc.) as well as technological and material improvements (striving for lighter and more durable construction materials), are unrivaled in relation to other internal combustion piston engines, e.g. Wankel or Stirling engines, surpassing them above all, durability and low fuel consumption. The family of these engines consists of two-stroke and four-stroke engines and diesel engines. Their common feature is a similar structure and identical principle of operation, namely the piston reciprocatingly moves in the cylinder head closed at the top, and from the bottom it is pivotally connected with the crankshaft of the engine by a connecting rod. This system makes it possible to convert the reciprocating movement of the piston into a rotating motor shaft.

W silnikach tego typu wykorzystana jest jedynie przestrzeń tłokowa, a nieznacznie tylko podtłokowa (silnik dwusuwowy). Ponadto podczas pracy w silniku tym występuje duża siła dociskająca jednostronnie tłok do gładzi cylindra, powodując straty w wyniku tarcia oraz przyspiesza mechaniczne zużycie gładzi cylindra i płaszcza tłoka. Ponadto silniki tego typu posiadają „efekt opóźniający tzn., że w momencie zdetonowania mieszanki nad tłokiem, gdy wartość ciśnienia oraz temperatura są najwyższe, wówczas energia ta nie jest zamieniana na pracę, ponieważ w tym momencie korba wału korbowego silnika ustawiona jest równolegle do cylindra na osi tłokkorbowód-wał. Dopiero dalszy obrót korby wału powoduje rosnące przełożenie na wale. Opisany efekt powoduje rosnące przełożenie na wale. Opisany efekt powoduje, że pewna część szczytowej energii cieplnej ucieka do ścianek cylindra i głowicy nim zdąży być zamieniona na pracę, co obniża sprawność silnika.In engines of this type, only the piston space is used, and only slightly under the piston (two-stroke engine). Moreover, during operation in this engine, there is a large force pressing the piston against the cylinder surface on one side, causing friction losses and accelerating the mechanical wear of the cylinder surface and the piston skirt. In addition, engines of this type have a "retarding effect, i.e. when the mixture is detonated above the piston, when the pressure and temperature are the highest, then this energy is not converted into work, because at this point the engine crankshaft crank is set parallel to the cylinder on piston rod-shaft axis. Only further rotation of the shaft crank causes an increasing gear ratio on the shaft. The described effect causes an increasing gear ratio on the shaft. The described effect causes some of the peak heat energy to escape to the cylinder walls and head before it has time to be converted to work, which reduces the efficiency of the engine.

Do wad silników tego typu należy zaliczyć duże gabaryty i wagę silnika, duże dławienie dynamiczne na zaworach mieszanki, rozbudowany system rozrządu.The disadvantages of this type of engine include large dimensions and weight of the engine, large dynamic throttling on the mixture valves, and an extensive timing system.

Celem wynalazku jest opracowanie silnika, który posiadałby zalety opisanych powyżej silników, a eliminował wyżej wymienione wady i niedogodności.The object of the invention is to provide an engine that has the advantages of the above-described engines while overcoming the above-mentioned disadvantages and disadvantages.

Istotą rozwiązania według wynalazku jest konstrukcja tłoka, który w dolnej części posiada dwa deflektory ułożone przeciwległe do siebie, natomiast od góry zakończony jest płaskim denkiem, ponad który, przeciwległe po obu stronach tłoka, wypiętrzają się sinusoidalne kołnierze, będące przedłużeniem płaszcza tłoka. Wał korbowy silnika, posiadający co najmniej jedno skośne wykorbienie, umiejscowiony jest tak, że jego masa rozłożona jest symetrycznie po obu stronach osi wału korbowego. Wał korbowy połączony jest przegubowo, poprzez popychacz z oporą wahliwą osadzoną na talerzu wirującym, sterowanym poprzez przekładnię zębatą. Wał korbowy posiada na prostym odcinku, od tłoka do wykorbienia skośnego, wydrążony wewnątrz kanał, spełniający rolę kolektora dolotowego, zakończony dwoma oknami przelotowymi.The essence of the solution according to the invention is the construction of the piston, which in the lower part has two deflectors arranged opposite to each other, while at the top it ends with a flat bottom, above which, on both sides of the piston, sinusoidal flanges rise, which are an extension of the piston skirt. The engine crankshaft having at least one oblique crank is positioned so that its mass is distributed symmetrically on both sides of the crankshaft axis. The crankshaft is articulated through a pusher with a swinging support mounted on a rotating plate, controlled by a gear transmission. The crankshaft has, on a straight section, from the piston to the oblique crank, a channel hollowed inside, acting as an intake manifold, ended with two passage windows.

166 819 3166 819 3

Przykładowa konstrukcja silnika według wynalazku pokazana jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia silnik w przekroju wzdłużnym, natomiast fig. 2 - cylinder silnika.An exemplary engine structure according to the invention is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows the engine in longitudinal section, while Fig. 2 shows the engine cylinder.

Spalinowy silnik turbotłokowy dwusuwowy 1 z naturalnym uwarstwieniem mieszanki zbudowany jest z cylindra 1 z obu stron zamkniętego głowicami: górną 3 i dolną 7. W cylindrze 1 ruchem posuwisto-zwrotno-obrotowym wiruje tłok 5. Tłok 5 silnika w dolnej części posiada dwa deflektory ułożone przeciwległe do siebie, natomiast od góry zakończony jest płaskim denkiem ponad który, przeciwległe po obu stronach tłoka, wypiętrzają się sinusoidalne kołnierze, będące przedłużeniem płaszcza tłoka. Sinusoidalne kołnierze stanowią rozdzielacz kanału dolotowego 2 silnika. Deflektory wykonane są w obrysie sinusoidalnym i o stałej amplitudzie lecz o malejącej częstotliwości, proporcjonalnie do malejącego promienia, będącego wielkością odległości danego fragmentu deflektora od osi tłoka. Głowica dolna 7 posiada również dwa deflektory, które współpracują z deflektorami tłoka 5.A two-stroke 1 internal combustion turbo-piston engine with a natural mixture stratification is made of cylinder 1 closed on both sides with the heads: upper 3 and lower 7. The piston 5 rotates in cylinder 1 with a reciprocating-rotary motion. The engine piston 5 in the lower part has two opposing deflectors towards each other, while at the top it ends with a flat crown, above which, on both sides of the piston, sinusoidal flanges rise, which are an extension of the piston skirt. The sinusoidal flanges form the intake manifold 2 of the engine. The deflectors are made in a sinusoidal contour and of a constant amplitude but with a decreasing frequency, proportional to the decreasing radius, which is the distance of a given fragment of the deflector from the piston axis. The lower head 7 also has two deflectors that cooperate with the deflectors of the piston 5.

Do tłoka 5, od spodu, centrycznie dołączony jest wał korbowy 6. Jest to wałjednokorbowy, o skośnym wykorbieniu 9. W praktyce jednak korzystniejsze jest stosowanie większej liczby skośnych wykorbień wału. Dzięki takiej konstrukcji wału eliminuje się siły koszące oraz wibrację na korbowale. Wał korbowy 6 posiada na prostym odcinku, od tłoka 5 do wykorbienia 9 skośnego wydrążony wewnątrz kanał, spełniający rolę kolektora dolotowego, zakończony dwoma oknami przelotowymi 8. Zastosowanie wału korbowego o dwu przeciwległych wykorbieniach eliminuje działające nań niekorzystne siły koszące oraz wyważa wirujący układ, co w przypadku wału korbowego z jednym skośnym wykorbieniem odbywa się za pomocą balastu mocowanego na talerzu wirującym 12. Wał korbowy 6 połączony jest przegubowo, poprzez popychacz 10, z oporą wahliwą 11. Opora wahliwa 11 mocowana jest w dwóch punktach na talerzu wirującym 12. Talerz wirujący 12 osadzony jest ślizgowo w korpusie silnika 15. Poniżej talerza wirującego 12, w korpusie silnika 15 osadzone jest na osi poziomej koło zębate stożkowe 13, które zazębia się z kołem zębatym stożkowym zamocowanym pierścieniowo na spodzie talerza wirującego 12. Koło zębate stożkowe 13 zazębia się również z kołem zębatym stożkowym elementu selekcyjnego 14. Element ten, osadzony jest na wale 16 silnika, od góry połączony jest ślizgowo, poprzez tuleję z czopem wału korbowego 6. Zadaniem elementu selekcyjnego 14 jest wyselekcjonowanie z posuwisto - zwrotno -obrotowego ruchu wału korbowego 6 użytecznego ruchu obrotowego, przenoszonego na roboczy wał 16 silnika.A crankshaft 6 is centrally connected to the piston 5 on the underside. It is a single-crankshaft with an oblique crank 9. In practice, however, it is preferable to use a greater number of oblique crank crankshaft. Thanks to this design of the shaft, mowing forces and vibrations on the connecting rods are eliminated. The crankshaft 6 has a straight section, from the piston 5 to the oblique crank 9, a hollow channel inside, acting as an intake manifold, ending with two through-windows 8. The use of a crankshaft with two opposite cranks eliminates the adverse mowing forces acting on it and balances the rotating system, which in In the case of a crankshaft with one oblique crank, it is carried out by means of a ballast mounted on a rotating plate 12. The crankshaft 6 is articulated through a pusher 10 with a pendulum support 11. The pivoting support 11 is mounted in two points on the rotating plate 12. Rotating plate 12 it is slidably mounted in the motor body 15. Below the rotating plate 12, in the motor body 15, a bevel gear 13 is mounted on the horizontal axis, which meshes with a bevel gear mounted in a ring on the bottom of the rotating disc 12. The bevel gear 13 also meshes with the bevel gear of the selection element 14. This element is mounted y is on the shaft 16 of the engine, it is slidingly connected from the top to the journal of the crankshaft 6. The task of the selection element 14 is to select from the reciprocating-rotary movement of the crankshaft 6 a useful rotary movement transferred to the working shaft 16 of the engine.

Zasada działania przedstawionego silnika omówiona zostanie na podstawie fig. 2.The principle of operation of the presented engine will be discussed on the basis of Fig. 2.

W napełnianiu mieszanką paliwową cylindra silnika bierze udział drążony fragment wału korbowego 6, na tym odcinku będący także kolektorem dolotowym. Gdy tłok 5 przesuwa się w dół, deflektory tłoka 5 „ześlizgują się skrętnie po deflektorach głowicy dolnej 7 powodując sprężenie mieszanki. W tym czasie nad tłokiem odsłaniają się kanały dolotowe 2 i nad tłok napływa mieszanka paliwa z gaźnika. Natomiast gdy tłok znajduje się w DZP, a nad tłokiem panuje podciśnienie, to w tym położeniu szczeliny 8 wału korbowego 6 wynużają się z głowicy dolnej 7 do skrzyni korbowej skąd do wydrążonego fragmentu wału korbowego (którego kanały wychodzą nad tłokiem) zostaje zassane czyste atmosferyczne powietrze. Natomiast pod tłokiem w tym momencie sprężona masa mieszanki przemieszcza się do przestrzeni międzydeflektorowej, w której następuje jej detonacja. Wówczas deflektory tłoka i głowicy dolnej 7 „odpychają się. W tym momencie na tłok działają dwie siły: F1 - skierowana ku górze i F2 - wymuszająca ruch skrętny tłoka. Siła F2 w sposób bezpośredni jest odbierana i wykorzystana przez wał 16 silnika, jako jego moment obrotowy, natomiast siła F1 dopiero po „przetworzeniu przez mechanizm korbowy daje użyteczne przełożenie na wale 16 silnika. Gdy tłok idzie ku górze, zostaje zasłonięta szczelina 2 oraz okna przelotowe 8 wału korbowego 6, chowając się do głowicy dolnej 7. Nad tłokiem 5 następuje wstępne sprężanie mieszanki. Przy dojściu do GZP tłok odsłania szczeliny 4, przez które spaliny uchodzą na zewnątrz. Następnie odsłaniają się okna przelotowe 8 kolektora wału korbowego 6, przez które dostaje się do cylindra 1 świeży ładunek. W pierwszym etapie dostaje się do cylindra czyste powietrze, zaczerpnięte ze skrzyni korbowej do drążonej części wału korbowego 6, które w nim pozostawało, a dopiero po nim mieszanka paliwowa znad tłoka 5. Wprowadzenie warstwy czystego powietrza zapobiega mieszaniu się mieszanki ze spalinami oraz wypłukiwaniu jej do kolektora wydechowego, w rezultacie zmniejsza się toksyczność spalin oraz zużycie paliwa. W obecnych silnikach dwusuwowych straty paliwa przy przepłukaniu sięgają 30%.The hollow part of the crankshaft 6, which is also the intake manifold in this section, is involved in filling the engine cylinder with the fuel mixture. As the piston 5 moves downward, the piston deflectors 5 "slide torsionally over the deflectors of the lower head 7, compressing the mixture. At this time, the inlet channels 2 are exposed above the piston and the fuel mixture from the carburetor flows over the piston. On the other hand, when the piston is in DZP, and there is a negative pressure above the piston, in this position, the slots 8 of the crankshaft 6 extend from the lower head 7 to the crankcase, from where clean atmospheric air is sucked into the hollow part of the crankshaft (whose channels extend above the piston) . On the other hand, under the piston, at this point, the compressed mass of the mixture moves to the inter-deflector space, where it detonates. Then the deflectors of the piston and lower head 7 "push back. At this point, two forces act on the piston: F1 - pointing upwards and F2 - forcing the piston to rotate. The force F2 is directly received and used by the engine shaft 16 as its torque, while the force F1 only after being "processed by the crank mechanism gives a useful transmission to the engine shaft 16. When the piston goes up, the gap 2 and the ports 8 of the crankshaft 6 are covered, hiding into the lower head 7. The mixture is pre-compressed above the piston 5. When reaching the GZP, the piston reveals the slots 4 through which the exhaust gases leave. Then the passage windows 8 of the crankshaft collector 6 are exposed, through which fresh load enters the cylinder 1. In the first stage, clean air enters the cylinder, taken from the crankcase into the hollow part of the crankshaft 6, which remained in it, and then the fuel mixture above the piston 5. The introduction of a layer of clean air prevents the mixture from mixing with exhaust gases and washing it into exhaust manifold, as a result exhaust gas toxicity and fuel consumption are reduced. In current two-stroke engines, flush fuel losses are up to 30%.

166 819166 819

Poprzez powyższe rozwiązanie został osiągnięty cel dla tej odmiany konstrukcyjnej, jakim było poprawienie sprawności oraz minimalizacja toksyczności spalin silnika dwusuwowego.Through the above solution, the goal for this design variant was achieved, which was to improve the efficiency and minimize the toxicity of exhaust gases from the two-stroke engine.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.Publishing Department of the UP RP. Circulation of 90 copies

Cena 1,100 zł.Price PLN 1,100.

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowePatent claims 1. Spalinowy silnik turbotłokowy zawierający cylinder, wewnątrz którego znajduje się tłok połączony z wałem korbowym, znamienny tym, że tłok (5) w dolnej części posiada dwa deflektory ułożone przeciwległe do siebie, natomiast od góry zakończony jest płaskim denkiem, ponad który, przeciwległe po obu stronach tłoka, wypiętrzają się sinusoidalne kołnierze, będące przedłużeniem płaszcza tłoka, zaś wał korbowy (6) posiadający co najmniej jedno skośne wykorbienie, umiejscowiony jest tak, że jego masa rozłożona jest symetrycznie po obu stronach osi wału korbowego (6) i połączony jest przegubowo poprzez popychacz (10) z oporą wahliwą (11) osadzoną na talerzu wirującym (12), sterowanym poprzez przekładnię zębatą.1. Combustion turbo-piston engine comprising a cylinder inside which there is a piston connected to the crankshaft, characterized in that the piston (5) has in its lower part two deflectors arranged opposite to each other, while at the top it ends with a flat cap, above which, on both sides of the piston, the sinusoidal flanges rise up, which are the extension of the piston skirt, and the crankshaft (6) with at least one oblique crank, is located so that its mass is distributed symmetrically on both sides of the crankshaft axis (6) and is articulated through the pusher (10) with the oscillating support (11) mounted on the rotating plate (12), controlled by a toothed gear. 2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wał korbowy (6) posiada na prostym odcinku, od tłoka (5) do wykorbienia skośnego (9), wydrążony wewnątrz kanał, spełniający rolę kolektora dolotowego, zakończony dwoma oknami przelotowymi (8).2. The engine according to claim 4. A method according to claim 1, characterized in that the crankshaft (6) has, along a straight section, from the piston (5) to the oblique crank (9), a hollow channel serving as an intake manifold, terminated with two passage windows (8).