PL184758B1 - Silnik spalinowy typu silnika tłokowego o zmiennym stosunku sprężania - Google Patents

Abstract

1 . Silnik spalinowy typu silnika tlokow ego o zm iennym sto- sunku sprezania, w którym piasta tloka jest nastaw ialna za pomoca korbowodu zamontowanego po stronie walu korbowego ulozysko- wanego na mimosrodowym czopie korbowym, przy czym ten rm- mosrodowy czop korbowy jest podczas pracy silnika przestawialny wokót swej osi obrotu za pom oca elem entów sterujacych, zn a- mienny tym, ze mimosrodowy czop korbowy (1) utworzony jest z co najmniej dwóch obejmujacych go jednoczesciowych póipane- wek (26, 27), umieszczonych dookola walu ram ienia korby (15) walu korbowego (14), kazda z tych pólpanewek (26, 27) ma seg- ment kola zebatego (28, 29), które to segmenty (28, 29) równiez obejmuja wal ramienia korby (15) walu korbowego (14), przy czym kolo zebate (3) utworzone z tych segmentów (28,29) stanowi zew- netrzne kolo zebate (3) wewnatrz wewnetrznego kola zebatego (4) o wiekszej srednicy, wewnatrz którego, podczas pracy silnika, w y- konuje ono ruch obiegowy, przy czym wewnetrzne koto zebate (4) jest obrotowo koncentrycznie zamontowane wokól osi (8) walu kor- bowego (14), ajeg o pozycja o b ro to w a je s t dostosow ana do p ra - cy silnika takze podczas pracy silnika zewnetrzne kolo zebate (3), wykonuje dokladnie jeden obrót wokól siebie przy kazdym obiegu dookola wewnetrznego kota zebatego (4) kiedy jest ono usytuowa- ne w stacjonarnie dostosowanej pozycji, przy której ruch efektyw- nego srodka lozyska dolnego konca korbowodu zawsze opisuje elipse w linii z dostosowana pozycja, przy czym elipsa ta bezstop- mowo przyjmuje wszystkie posrednie polozenia pomiedzy elipsa pionowa a pozioma F IG 1 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazkujest silnik spalinowy typu silnika tłokowego o zmiennym stosunku sprężania, w którym piasta tłoka jest nastawialna za pomocą korbowodu zamontowanego po stronie wału korbowego ułożyskowanego na mimośrodowym czopie korbowym, przy czym ten mimośrodowy czop korbowy jest podczas pracy silnika przestawialny wokół swej osi obrotu za pomocą elementów sterujących.

W przeważającej części stosowane obecnie silniki spalinowe są typu silnika tłokowego. Przy stosunku sprężania takiego silnika tłokowego chodzi o stosunek pomiędzy pozostałą wolną komorą spalania, kiedy silnik znajduje się w górnym punkcie zwrotnym, a całą objętością cylindra, kiedy tłok jest w dolnym punkcie zwrotnym. Procesy spalania w takich silnikach tłokowych lub ogólnie w silnikach tłokowych są bardzo skomplikowane i wpływa na nie wiele parametrów. Obowiązuje to równie dobrze dla silników benzynowych jak i dla silników wysokoprężnych lub takich, które są napędzane jeszcze innymi paliwami. Zasadniczo optymalne spalanie paliwa, a zatem największa sprawność silnika spalinowego zależy od zasysanej lub doładowywanej ilości powietrza, od jego temperatury, wilgotności i sprężenia, od rodzaju i jakości wtryskiwanego paliwa oraz od rodzaju i sposobu jego mieszania z powietrzem i zapalania mieszanki. Odgrywa rolę jednorodność wymieszania mieszanki paliwowo-powietrznej, jak również dokładny punkt oraz rodzaj i sposób jej zapalenia w trakcie ruchu tłoka. Ważną rolę odgrywa również przebieg ciśnienia podczas spalania oraz jego przebieg czasowy. Jeżeli silnik pracuje pod dużym obciążeniem, wówczas ciśnienia spalania są większe na biegu jałowym. Gdy silnik pracuje szybko, wówczas do spalania jest do dyspozycji znacznie mniej czasu niż przy małej prędkości obrotowej . Oprócz tych zmiennych zależnych od stanu pracy silnika dochodzą zewnętrzne warunki klimatyczne, które mają wpływ na pracę silnika i sprawność spalania. Chodzi więc nie tylko o to, czy silnik pracuje na poziomie morza, czy też na dużych wysokościach przy niskim ciśnieniu powietrza. Odgrywają rolę również temperatura zewnętrzna i zależna od pogody wilgotność powietrza.

W ostatnich latach uzyskano znaczne postępy w optymalizacji procesów spalania w silnikach, które zasadniczo z jednej strony zostały uzyskane przez coraz większe możliwości mikroprocesorowych zespołów sterowania będących do dyspozycji, a z drugiej strony przez zdobycze technologii paliw·'. Obecnie w wielu silnikach przygotowanie mieszanki sterowane jest przez mikroprocesor. Przykładowo mierzona jest ilość zasysanego powietrza, jego temperatura i wilgotność, a ilość paliwa do wtrysku jest dla każdego wtrysku obliczana ponownie i optymalizowana w zależności od tych parametrów. Ponadto za każdym razem na nowo mikroprocesor oblicza również punkt zapłonu i punkt oraz czas trwania wtrysku, przy czym uwzględniana jest również prędkość obrotowa silnika. Lepsze paliwa umożliwiają również zastosowanie techniki czterozaworowej w silnikach do eksploatacji całodziennej, podczas gdy ta kosztowna technika wcześniej była zastrzeżona tylko dla silników wysokiej mocy. Lepsze paliwa, zwłaszcza lepsze gatunki benzyn i lepsze materiały umożliwiają wyższe temperatury i ciśnienia spalania i doprowadziły przez to do tendencyjnie większego wskaźnika sprężania w nowoczesnych silnikach w porównaniu z wcześniejszymi. Również sprężanie odgrywa decydującą rolę dla spalania mieszanki paliwa, a więc dla sprawności silnika. Im większy jest stosunek sprężania, tym lepsza jest ogólna sprawność spalania. Maksymalne sprężanie ograniczone jest przez odporność detonacyjną, przy czym mieszanka paliwowa przy zbyt dużym sprężeniu zapala się samoczynnie i przez to nie kontrolowane spalania występują w złym punkcie czasowym. Silnik stuka wtedy i podlega uszkodzeniom.

Wszystkie wspomniane poprzednio parametry pozostają w skomplikowanej zależności wzajemnej. Silnik pojazdu pracuje z ciągle zmieniającą się prędkością obrotową i z różnymi

184 758 obciążeniami. Dochodzą do tego różne warunki zewnętrzne, mianowicie wahania temperatury powietrza, ciśnienia powietrza i wilgotności powietrza. Dotychczasowy silnik o stałym stosunku sprężania nie może zatem nigdy pracować idealnie lub optymalnie. Najwyżej w oddzielnym stałym punkcie pracy spalanie przebiegające w nim może zostać poniekąd zoptymalizowane. Przez zmienne sprężanie można dalej optymalizować procesy spalania w całym zakresie eksploatacji silnika.

Przedmiotowy wynalazek wynika ze spostrzeżenia, że przy optymalizacji procesów spalania sprężanie jest wprawdzie optymalizowane na stałym stosunku, ale jego zmienne dopasowanie do warunków pracy nie jest uwzględniane przy tej optymalizacji. Wybrany stały stosunek sprężania stanowi w obecnej technologii silników zawsze dokładnie wybrany kompromis z zakresem stanów pracy silnika. Im większe sprężanie, tym większa jest gęstość mocy lub moc litrowa silnika, ale tym bardziej problematyczna jest odporność detonacyjna oraz obciążenie części i przez to żywotność silnika.

W przeszłości przedstawiono szereg propozycji realizowania zmiennego sprężania w silniku spalinowym. Przykładowo podniesiono wał korbowy względem cylindra, albo też pracowano z cylindrami o zmiennej długości. Znanyjest również system, w którym istnieje możliwość zmieniania długości tłoka. W niemieckim czasopiśmie fachowym Automobil-Industrie 4/85 opisano próbę firmy Volkswagen wyposażenia samochodu VW Golf w silnik z wtryskiem 1,61 o zmiennym sprężaniu. Zrealizowano to przez pomocniczą komorę usytuowaną w głowicy cylindra. Objętość tej komory pomocniczej, a zatem stosunek sprężania, zmieniano za pomocą tłoka ruchomego w tej komorze pomocniczej tak, że stosunek sprężania mógł być zmieniany elektromechanicznie w zależności od stanu obciążenia silnika w zakresie od ε = 9,5 do ε - 15,5. W zakresie obciążeń częściowych (cykl miejski ECE) zmierzono oszczędności paliwa do 12,7% w stosunku do zoptymalizowanego silnika seryjnego. Nawet przy 3-drożnym mieszaniu oszczędność paliwa stale jeszcze wynosiła 9,6%. Stąd zmienne sprężanie jest związane ze znacznymi możliwościami oszczędności paliwa. Jednak dotychczas konstrukcyjne koszty zmiennego sprężania były zbyt wysokie do zastosowania w modelach standardowych. Dalszą niedogodnością wyżej wymienionego rozwiązania z wtórną komorą spalaniajest również to, że komora spalania nie pozostaje zwarta przy niskim stopniu sprężenia, co ma ujemny wpływ na proces spalania i usuwanie emisji. Inna propozycja realizacji zmiennego sprężania pochodzi od Louisa Damblanca z Paryża według jego patentu Rzeszy Niemieckiej nr 488 059 z 5 grudnia 1929. Osadzona na czopie korbowym mimośrodowa tuleja ułożyskowania stopy korbowodu jest od strony wału korbowego przestawiana za pomocąmechanizmu różnicowego. Ten mechanizm różnicowy zawiera wał, który przebiega koncentrycznie względem wału korbowego w jego wnętrzu. Koło z uzębieniem wewnętrznym jest napędzane przez wał korbowy i napędza trzy usytuowane wewnątrz, rozmieszczone na jego wewnętrznym obwodzie, ułożyskowane na sworzniach na tarczy działającej jako sektor zębaty satelitarne koła zębate o w przybliżeniu trzykrotnie mniejszej średnicy, które wszystkie są zazębione z centralnym kołem zębatym, które jest osadzone na wymienionym wale przebiegającym poprzez wnętrze wału korbowego. Ten sektor zębaty jest przestawiany przez dalsze koło zębate działające najego obwodzie. Taka przekładnia różnicowajest przede wszystkim kosztowna ze względu na potrzebny wał umieszczony we wnętrzu wału korbowego. Ta konstrukcja przestawiania stosunku sprężania nie znalazła w każdym razie szerokiego zastosowania.

Wynalazek stawiał sobie zatem za zadanie opracowanie silnika spalinowego, który ma stosunek sprężania zmieniany za pomocąmimośrodowego czopu korbowego i który na skutek tego w dopasowaniu do chwilowych stanów pracy silnika daje się optymalizować w szerokim zakresie i przyczynia się dzięki temu do znacznego zwiększenia sprawności silnika i jego spokojnej pracy.

Zadanie to zostało rozwiązane przez silnik spalinowy typu silnika tłokowego, w którym stosunek sprężania jest zmienny, przy czym skok tłoka jest przestawny, ponieważ korbowód jest od strony wału korbowego ułozyskowany na mimośrodowym czopie korbowym, przy czym

184 758 mimośrodowy czop korbowy podczas pracy silnika jest przestawiany przez elementy sterujące wokół swej osi obrotu.

Według wynalazku mimośrodowy czop korbowy utworzony jest z co najmniej dwóch obejmujących go jednoczęściowych półpanewek, umieszczonych dookoła wału ramienia korby wału korbowego, każda z tych półpanewek ma segment koła zębatego, które to segmenty również obejmująwał ramienia korby wału korbowego, przy czym koło zębate utworzone z tych segmentów stanowi zewnętrzne koło zębate wewnątrz wewnętrznego koła zębatego o większej średnicy, wewnątrz którego, podczas pracy silnika, wykonuje ono ruch obiegowy; przy czym wewnętrzne kolo zębate jest obrotowo koncentrycznie zamontowane wokół osi wału korbowego, a jego pozycja obrotowa jest dostosowana do pracy silnika tak, że podczas pracy silnika zewnętrzne koło zębate wykonuje dokładnie jeden obrót wokół siebie przy każdym obiegu dookoła wewnętrznego koła zębatego kiedy jest ono usytuowane w stacjonarnie dostosowanej pozycji, przy której ruch efektywnego środka łożyska dolnego końca korbowodu zawsze opisuje elipsę w linii z dostosowaną pozycją, przy czym elipsa ta bezstopniowo przyjmuje wszystkie pośrednie położenia pomiędzy elipsą pionową a poziomą.

W silniku według wynalazku wewnętrzne koło zębate może być koncentrycznie połączone po j ego płaskiej stronie z walcowym kołem zębatym, które j est przestawiane przez dalsze sterujące koło zębate zazębione z walcowym kołem zębatym.

Ewentualnie, wewnętrzne koło zębate na swym zewnętrznym obwodzie ma uzębienie i jest przestawiane za pomocą sterującego koła zębatego, które jest zazębione bezpośrednio z tym uzębieniem.

Sterujące koło zębate jest obracane za pomocą odzielnego serwomotoru, w następstwie czego stopień sprężania silnika jest regulowany za pomocą zmiany długości korby, przy czym serwomotor ten jest sterowany mikroprocesorem, w którym przetwarzany jest elektronicznie co najmniej jeden mierzony parametr pracy silnika.

Serwomotor jest elektrycznym silnikiem krokowym, który poprzez zębnik napędza sterujące koło zębate, ewentualnie poprzez pasek zębaty napędza sterujące koło zębate lub jego oś napędową.

Mikroprocesor, w który wyposażony jest silnik, za pomocą sygnałów odpowiadających obciążeniu silnika, określonemu w przekładni, określonej prędkości obrotowej silnika, określonej ilości powietrza oraz sygnału z czujnika stukania, przetwarza te wartości elektronicznie w sygnał sterujący dla serwomotoru.

W przypadku silnika o wielu cylindrach sterujące koła zębate poszczególnych cylindrów są umieszczone sztywno na wspólnym bocznym wale. Sterujące koło zębate zazwyczaj ma promień dwukrotnie większy niż walcowe koło zębate.

W silniku według wynalazku wewnętrzne koło zębate jest usytuowane na wale korbowym i ma nastawialne położenie obrotowe względem wału korbowego, przy czym efektywna długość ramienia korbowodu jest stała w trakcie całego obrotu korby.

Tak więc, mimośrodowy czop korbowy jest utworzony przez przynajmniej dwie panewki, które sąumieszczone wokół wału ramienia korby wału korbowego, otaczając go, a ponadto te panewki są połączone każda z segmentem koła zębatego, które to segmenty również otaczają wał ramienia korby wału korbowego, a ponadto utworzone przez te segmenty koło zębate jako koło zewnętrzne odtacza się w wydrążonym kole o większej średnicy, które jest ułożyskowane koncentrycznie wokół osi korby wału korbowego, ajego położenie obrotu jest przestawne tak, ze zewnętrzne koło przy odtaczaniu w wydrążonym kole, kiedy jest ono nieruchome, podczas jednego obrotu wykonuje dokładnie jeden obrót.

Silnik spalinowy typu silnika tłokowego według wynalazku został szczegółowo opisany poniżej i przedstawiony w przykładzie wykonania wynalazku na załączonych rysunkach, na których fig. 1 przedstawia schemat podstawowy silnika tłokowego z mechaniczną regulacją stosunku sprężania, przy czym tłok stoi przy ustawieniu maksymalnego stosunku sprężania dokładnie w górnym punkcie zwrotnym; fig. 2 przedstawia dwuczęściowy element jako koło zębate i mimośród; fig. 3 przedstawia dwuczęściowy element w widoku perspektywicznym; fig. 4 przedsta6

184 758 wia schemat podstawowy z ustawieniem maksymalnego stosunku sprężania, przy czym tłok jest ustawiony pośrodku pomiędzy górnym a dolnym punktem zwrotnym; fig. 5 przedstawia schemat podstawowy z ustawieniem maksymalnego stosunku sprężania, przy czym tłok jest ustawiony dokładnie w dolnym punkcie zwrotnym; fig. 6 przedstawia schemat podstawowy z ustawieniem maksymalnego stosunku sprężania, przy czym tłok jest ustawiony dokładnie w górnym punkcie zwrotnym; fig. 7 przedstawia schemat podstawowy z ustawieniem minimalnego stosunku sprężania, przy czym tłok jest ustawiony dokładnie pośrodku pomiędzy górnym a dolnym punktem zwrotnym; fig. 8 przedstawia schemat podstawowy z ustawieniem minimalnego stosunku sprężania, przy czym tłok stoi w dolnym punkcie zwrotnym; fig. 9 przedstawia eliptyczną krzywą ruchu, którą opisuje środek mimośrodowo wykonanego czopu korbowego przy różnych ustawieniach stosunku sprężania; zaś fig. 10 przedstawia konstrukcję do przestawiania stosunku sprężania w widoku z boku.

Na figurze 1 silnik spalinowy jest przedstawiony schematycznie na przykładzie jednego cylindra. Cała zasada może być łatwo realizowana w silnikach wielocylindrowych niezależnie od tego czy cylindry sąustawione rzędowo, widlaście lub w ustawieniu typu bokser. Pokazano tu cylinder 10 z zaworem wlotowym 11 i zaworem wydechowym 12 w głowicy cylindra oraz z umieszczonym w cylindrze 10 tłokiem, który jest poprzez korbowód 9 połączony z wałem korbowym 14. Przez 8 oznaczono nieruchomą oś wału korbowego 14. Na wale korbowym 14 umieszczonajest masa zamachowa 13, którajest połączona sztywno z wałem korbowym 14 i stanowi przeciwmasę dla masy korby. Sama korba 25 ma teraz dość szczególny czop korbowy 1. W dotychczasowym silniku czop korbowy porusza się pod kątem prostym do płaszczyzny obrotu ramienia korby i opisuje przy pracującym silniku współśrodkowy okrąg. Ma ona zatem określoną i dlatego zawsze niezmienną odległość od osi 8 wabi korbowego, to znaczy od osi 8, którą napędza korba. W przeciwieństwie do tego czop korbowy według wynalazku jest w stosunku do dotychczasowej osi 2 czopu korbowego, to znaczy w stosunku do dotychczasowej osi 2 czopu korbowego, mimośrodem 1. Ten mimośród 1 daje się obracać wokół dotychczasowej osi 2 czopu korbowego. Koniec korbowodu 9 od strony wału korbowego otacza ten mimośród 1 łożyskiem korbowodu, tak że mimośród 1 jest obrotowy włozysku korbowodu. Konstrukcyjnie umieszczenie tego mimośrodu 1 w pokazanym przykładzie jest rozwiązane tak, że mimośrodowy czop korbowy 1 jest utworzony z dwóch panewek 26,27, które są umieszczone wokół wału 15 ramienia korby wału korbowego 14, otaczając go, i w ten sposób tworzą mimośrodowy czop korbowy 1. Te panewki 26,27 sąpołączone z jednym segmentem 28,29 koła zębatego, które to segmenty 28, 29 również otaczają wał 15 ramienia korby wału korbowego 14. Utworzone z tych segmentów 28,29 koło zębate 3 porusza się jako koło zewnętrzne 3 w wydrążonym kole 4 o większej średnicy, które jest ułozyskowane mimośrodowo swobodnie obrotowo wokół osi 8 korby wału korbowego 14, ajego położenie obrotowe jest przestawne. Kiedy wydrążone koło 4 jest nieruchome, wówczas zewnętrzne koło 3 przy odtaczaniu się wewnątrz wydrążonego koła wykonuje podczas jednego obiegu dokładnie jeden obrót wokół siebie.

Na figurze 2 element, który tworzy zewnętrzne koło 3 i mimośród 1, jest pokazany a) w widoku z góry i b) w widoku na dolną część 27, 29 tego elementu. Koło zębate 3 jest okrągłe, ale w środku jest przecięte na dwa segmenty 28,29, które wspierająna swej stronie czołowej półpanewki 26,27, które po złozeniu tworząmimośród 1 względem osi obrotu koła zębatego 3. Obie te części tego elementu są złączone wokół osi wału korbowego, a więc wokół dotychczasowego czopu korbowego wału korbowego, a korbowód jest zamontowany wokół utworzonego teraz mimośrodu 1. Dolne łożysko korbowodu trzyma obie części razem dopasowane do siebie.

Figura 2b) pokazuje widok dolnej części tego elementu, przy czym powierzchnia przekrój u jest zakreskowana. Element ten jest utworzony z odpowiednio hartowanej stali, jak jest zwykle stosowana na obciążone koła zębate. Jego strona wewnętrzna ma powłokę z białego metalu i jest hartowana i szlifowana, aby zmniejszyć ścieranie. Ta strona wewnętrzna porusza się przeciez na czopie korbowym 15, który jest wykonany ze staliwa. Strona zewnętrzna elementu, to znaczy strona zewnętrzna panewek 26, 27, jest twardo chromowana. Te strony zewnętrzne panewek 26, 27 są otoczone przez łożysko stopy korbowodu. Korbowody sąprzeważnie z aluminium, a w ta184 758 kim przypadku chromowanie twarde stron zewnętrznych panewek 26,27 wystarcza, by uniknąć ścierania.

Na figurze 3 pokazano dwuczęściowy element jeszcze w widoku perspektywicznym. Widać obie panewki 26, 27 oraz oba segmenty 28, 29 koła zębatego. Po złożeniu segmenty te tworzą okrągłe koło zębate 3, a panewki 26, 27 mimośród 1 względem osi koła zębatego. Jeżeli obrócić to koło zębate 3, to mimośród 1 również obraca się wokół osi koła zębatego. Łożysko stopy korbowodu, które otacza mimośród 1, i korbowód są przy tym poruszane do góry i do dołu zależnie od położenia mimośrodu 1. Miejsce na mimośrodzie 1, które względem swej osi obrotu ma największy promień, oznaczono przez 16 i tworzy ono poniekąd występ. W alternatywnym rozwiązaniu element ten zamiast z dwóch części może być utworzony również z większej liczby części, na przykład z trzech segmentów, z których każdy obejmuje kąt 180°.

Na figurze 1 ten występ 16 utworzony z mimośrodu 1jest skierowany do góry. Dzięki temu tłok7 wtej pozycji przyjmuje najwyższe możliwe położenie, a komora spalania ma odpowiednio małą objętość. Sprężanie jest w tym miejscu mimośrodu 1 największe. Koło zębate 3 jest wykonane jako koło zewnętrzne, a więc ma uzębiony obwód i odtacza się nim w wydrążonym kole 4. To wydrążone koło 4 jest złożone z tarczy 17, którajest ułożyskowana obrotowo wokół wału korbowego 14. Na zewnętrznej krawędzi tej tarczy usytuowany jest występ 18, na którego wewnętrznej stronie istnieje uzębienie 19. Koło zębate 3 stanowi koło zewnętrzne dla tego uzębienia 19 i odtacza się wzdłuz wewnętrznego brzegu tego występu 18 na uzębieniu 19, przy czym zęby 20 zewnętrznego koła 3 zazębione sąz zębami 19 wydrążonego koła 4. Stosunek obwodu uzębienia 19 wydrążonego koła 4 do obwodu zewnętrznego koła 3 wynosi 2:1. Na skutek tego koło zewnętrzne obraca się o 360°, kiedy odtoczy się po całym obwodzie uzębienia 19 koła wydrążonego i odpowiednio tylko o 180°, kiedy odtoczy się na połowie obwodu uzębienia 19 koła wydrążonego. W odniesieniu do mimośrodu 1, który jest połączony sztywno z kołem zębatym 3, oznacza, to, że z położenia pokazanego na fig. 1, w którym występ 16 mimośrodu 1 jest zwrócony do góry, a więc sprężanie jest maksymalne, występ 16 zmienia swe położenie następująco, kiedy wał korbowy 14 obraca się o jeden obrót: Koło zębate 3 jako całość, a wraz z nim wał czopu korbowego poruszjąsię w stosunku do wału korbowego 14 na przykład w kierunku ruchu zegara wokół niego, przy czym koło zębate 3 obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu zegara. Po takim obrocie wału korbowego o 90° występ 16 jest zwrócony w lewo do osi wału korbowego. Kolo zębate 3 obróciło się zatem wraz z mimośrodem 1o 90° w kierunku przeciwnym do ruchu zegara. Ta nowa sytuacja po takim obrocie o 90° pokazanajest na fig. 4. Ramię korbowe 25 jest teraz usytuowane poziomo a jego skuteczna długość jest skrócona względem długości, jaką miało ono w położeniu wyjściowym z fig. 1. Po dalszym obrocie o 90° ramię korbowe 25 jest przestawione do dołu, a występ 16 jest zwrócony do dołu. Sytuacja ta jest pokazana na fig. 5. W położeniu tym korbowód 9 i tłok 7 są w porównaniu z konwencjonalnym silnikiem przesunięte do dołu. W trakcie działania silnika suw ssania tłoka 7 jest na skutek tego przedłużony w stosunku do dotychczasowej konstrukcji, co ma pozytywny wpływ na stosunek sprężania. Po dalszym obrocie o 90° występ 16 jest znowu zwrócony w kierunku osi wału korbowego, a po jeszcze następnym obrocie o 90°, a więc po pełnym obrocie o 360°, występ ten jest znowu zwrócony do góry, jak pokazano w położeniu wyjściowym z fig. 1. Środek mimośrodu 1 opisuje rzeczywiście skuteczną drogę korby, ponieważ łożysko stopy korbowodu otacza mimośród 1.

Jak to pokazano na fig. 1, gdzie środek mimośrodu 1 jest oznaczony przez 21, ten środek 21 jest przesunięty do góry względem osi 2 wału 15 czopu korbowego, która jest utworzona przez oś obrotu koła zębatego 3. Odpowiednio podniesiony do góry jest również korbowód 9, który jest osadzony przegubowo na mimośrodzie 1 i który jest u góry połączony z tłokiem 7, a wraz z nim oczywiście również tłok 7. Na skutek tego tłok 7 w górnym punkcie zwrotnym, jak pokazano na fig. 1, ma położenie podwyższone. Dzięki temu uzyskuje się odpowiednio większe sprężenie. Natomiast dolny punkt zwrotny tłoka 7 jest przemieszczony do dołu w takim samym stopniu, jak pokazano na fig. 5, ze względu na zwrócony do dołu występ 16 mimośrodu 1, co, jak juz wspomniano, umożliwia dłuższy suw ssania i jeszcze bardziej zwiększa stosunek sprężania. Ze względu na skuteczną długość ramienia korby ma on w położeniu pośrednim, w przybliżeniu

184 758 w położeniu pokazanym na fig. 4, wartość pośrednią. Długość ramienia korby osiąga więc tu w górnym punkcie zwrotnym tłoka maksimum, maleje po obrocie o 90° do minimum i znowu osiąga maksimum przy dolnym punkcie zwrotnym. Taka sama zmiana odbywa się aż do osiągnięcia górnego punktu zwrotnego tłoka 7. Korba nie opisuje zatemjuż okręgu, lecz stojącąelipsę.

Ten silnik spalinowy może jednak teraz przyjmować różne stosunki sprężania. W tym celu koło zębate 3 wraz z mimośrodem 1 obraca się wokół osi 2 wału 15 czopu korbowego. Odbywa się to za pomocąobrócenia wydrążonego koła 4 wokół wału korbowego. Na fig. 6 przedstawiono inne położenie ekstremalne, w którym występ 16 na mimośrodzie 1 w najwyższym położeniu tłoka 7, a więc wjego górnym punkcie zwrotnym, zwrócony jest do dołu. Przy takim ustawieniu objętość komory spalania jest maksymalna. Jeżeli zewnętrzne koło 3 odtoczy się teraz ze swego położenia wyjściowego w taki sam sposób na uzębionym obwodzie 19 wydrążonego kola 4, wówczas mimośród 1 po obrocie wału korbowego o 90° w kierunku ruchu zegara osiągnie najpierw położenie pośrednie, jak pokazano na fig. 7. Występ 16 jest zwrócony tu w stosunku do osi 8 wału korbowego promieniowo na zewnątrz i odpowiednio skuteczne ramię korby ma maksymalną długość. W dolnym punkcie zwrotnym tłoka 7, jak to pokazano na fig. 8, występ 16 przyjmuje położenie, w którym jest on zwrócony do góry, a więc do osi 8 wału korbowego. Tłok 7 przy takim ustawieniu sprężania ma minimalny skok. Droga ssania jest minimalna, objętość komory spalaniajest maksymalna, a więc stosunek sprężaniajest minimalny. Korba opisuje lezącąelipsę. Przez przestawienie mimośrodu 1 w zakresie pomiędzy tymi oboma opisanymi położeniami maksymalnymi można dowolnie wybierać stosunek sprężania. W położeniach pośrednich korba opisuje zawsze takiego samego kształtu elipsę, jednakże nie jest ona wtedy ani stojąca, ani leżąca, ale usytuowana ukośnie w odniesieniu do kierunku ruchu tłoka.

Na figurze 9 przedstawiono różne krzywe, które środek mimośrodu 1 opisuje przy różnych ustawieniach. Tłok porusza się przy tym w kierunkach pokazanych strzałkami. Na fig. 9a) pokazano ustawienie dla największego stosunku sprężania. Korba opisuje tu stojącąelipsę. Dla porównania zaznaczono linią przerywaną okręg korby w konwencjonalnym silniku. Droga tłoka jest więc przy tym ustawieniu dłuższa. Zarówno droga ssania jak i droga sprężania są dłuższe, a równocześnie objętość komory spalamajest zmniejszona. Stosunek sprężaniajest przy tym ustawieniu największy. Ponieważ wraz ze wzrostem sprężania zwiększa się sprawność silnika, przy czym wzrost ten jest największy przy małych obciążeniach, ustawienie takie jest stosowane w silniku benzynowym w zakresie obciążeń częściowych, natomiast stosunek sprężania pod pełnym obciążeniem jest nieco zmniejszony. W silniku wysokoprężnym korzystne jest ustawienie maksymalnego stosunku sprężania przy rozruchu silnika, aby następnie zmniejszyć go podczas pracy.

Na figurze 9b) przedstawiono krzywą, którą opisuje środek mimośrodu przy ustawieniu minimalnego stosunku sprężania. Czop korbowy opisuje taką samą elipsę, która tu jest jednak leżąca. Skok tłoka jest minimalny, tzn. zarówno skok ssania jak i skok sprężania są minimalne. Równocześnie ze względu na cofnięty górny punkt zwrotny zwiększa się również objętość komory spalania. Przy takim ustawieniu stosunek sprężaniajest odpowiednio minimalny. Ustawienie to nadaje się przykładowo do pracy na biegu jałowym.

Na figurze 9c) pokazano krzywą, która opisuje środek mimośrodu 1 przy środkowym ustawieniu pośrednim. Znów skuteczny czop korbowy opisuje tę samą elipsę, ale teraz jest ona ustawiona pod ostrym kątem do kierunku ruchu tłoka. Zależnie od kierunku obrotu mimośród 1 lub utworzony przez niego występ 16 może być obracany w lewo lub w prawo. Ta pożądana charakterystyka silnika została podyktowana tym, że przy pokazanej elipsie silnik powinien pracować w kierunku ruchu zegara lub w kierunku przeciwnym do ruchu zegara. Kierunek zgodny z ruchem zegara byłby sensowny, ponieważ wtedy sprężanie utrzymuje się możliwie najdłużej, tak ze spalanie może przebiegać optymalnie, a ciśnienie spalania może potem być najskuteczniej likwidowane, tzn. przy maksymalnej długości korby, jednakże malejącej w trakcie obrotu.

Właściwe przestawienie mimośrodu 1 następuje przez obrót koła zębatego 3 za pomocą wydrążonego koła 4. Aby mimośród 1 mógł obrócić się o 180° z jednego położenia maksimum w drugie, wydrążone koło 4 musi obrócić się o ćwierć obrotu wokół osi 8 wału korbowego. Ten obrót

184 758 wydrążonego koła 4 można realizować zapomocąróżnych środków przestawiania. Na fig. 1 oraz 4-8 i 10 przedstawiono przykład rozwiązania. Wydrążone koło 3 ma na płaskiej stronie tylnej tarczy 17, oddalonej od występu, koncentryczne i sztywno z nim połączone koło zębate 5, które działa jak zębate koło walcowe. Z pokazanym na fig. 1 uzębieniem 22 obwodu tego walcowego koła zębatego 5 zazębione jest uzębienie 23 sterującego koła zębatego 6, które jest obrotowe wokół umieszczonego bocznie wału 24. Na skutek tego, że, jak tu pokazano, sterujące koło zębate 6 ma więcej niż podwójny promień walcowego koła zębatego 5, sterujące koło zębate w celu przestawienia z jednego położenia maksimum do drugiego musi obrócić się jeszcze tylko o około 40°. Przy wielu cylindrach umieszczonych rzędowo kilka takich sterujących kół zębatych osadzone jest na wspólnym bocznym wale 24. W przypadku silnika widlastego środkowy wał może być umieszczony pomiędzy ramionami litery V i służy do napędzania wydrążonych kół zębatych 4 każdego cylindra. Podobny układ możliwy jest również w przypadku silnika typu bokser, tak że taki sam boczny wał steruje wydrążone koła zębate przeciwległych cylindrów. Poruszanie sterującego koła zębatego 6 może odbywać się najróżniejszymi sposobami. Do pomyśleniajest np. napęd poprzez serwomotor w postaci elektrycznego silnika krokowego, który bezpośrednio lub pośrednio, np. za pomocąpaska zębatego lub zębnika, działa na boczny wał 24 i za pomocą którego można zrealizować szybkie przestawianie od jednego położenia maksimum do drugiego. Ten silnik krokowy jest korzystnie sterowany przez mikroprocesor. Mikroprocesor służący do sterowania może otrzymywać kilka parametrów na drodze elektronicznej. Przykładowo można mierzyć na przekładni elektronicznie obciążenie silnika, tak jak dane te są i bez tego określane w wielu automatycznych skrzyniach biegów dla przełączania. Ponadto można elektronicznie określać prędkość obrotową silnika jako miarodajny parametr i również uwzględniać w celu regulowania stosunku sprężania. Można również przetwarzać sygnały czujnika stukania, który już istnieje w wielu nowoczesnych silnikach samochodowych. Można również określać w celu przeliczania ciśnienie spalania i temperaturę spalania. W takim mikroprocesorze wszystkie te dane są w końcu przetwarzane na podstawie wielowymiarowego pola parametrów w sygnał wyjściowy, który steruje silnik krokowy, aby zmienić położenie koła lub kół zębatych sterowania.

Na figurze 10 przedstawiono silnik w widoku z boku, przy czym pokazano tu dwa tłoki 7 ze swymi napędami korbowymi. Konstrukcja przestawiania stosunku sprężania zawiera, jak już wspomniano, wydrążone koło 4 osadzone na wale korbowym 14, które jest swobodnie obrotowo ułożyskowane na wale korbowym 14. Te wydrążone koła 4 są tu dla lepszego zrozumienia pokazane w częściowym przekroju. Płaska, oddalona od występu, tylna strona tarczy 17 wspiera koncentrycznie trwałe z nim połączone koło zębate 5. Wewnątrz uzębionego wewnętrznie występu wydrążonego koła 4 przebiega koło zębate 3, które jest trwale połączone z mimośrodem 1. Ten mimośród 1 otacza wał 15 ramienia korby i jest na nim ułożyskowany swobodnie obrotowo. Łożysko 25 stopy korbowodu 9 otacza mimośród 1, którego występ 16 w przypadku lewego tłoka 7 jest zwrócony do góry, a w przypadku prawego tłoka 7 j est zwrócony do dołu. Lewy tłok 7 j est odpowiednio nieco podniesiony, a prawy jest nieco obniżony. Jeżeli koło zębate 5 obraca się wraz z wydrążonym kołem 4, wówczas obraca się na miejscu również mimośród 1, tak że utworzony przez niego występ 16 przemieszcza swe położenie. Przy pracy silnika koło zębate 3 odtacza się wewnątrz wydrążonego koła 4 jako koło zewnętrzne i powoduje, że mimośród 1 na jeden obrót wału korbowego obraca się dokładnie o 360°. Kiedy więc wał korbowy obróci się o 180°, wówczas również mimośród 1 obraca się o 180° i odpowiednio utworzony przez niego występ 16 jest wtedy zwrócony do dołu, jak to pokazano z prawej strony w przekroju wału korbowego. Ponieważ występ 16 jest tam zwrócony do dołu, dolne położenie tłoka jest obniżone. W sumie mamy zatem większy skok tłoka i równocześnie oczywiście zmniejszoną objętość komory spalania. Stosunek sprężania jest zwiększony. W położeniach pośrednich skuteczne ramię korby jest mniejsze. Skuteczny roboczy środek czopu korbowego opisuje stojącą elipsę przy zwiększonym sprężaniu.

Alternatywnie wydrążone koło zębate 4 może na swym zewnętrznym obwodzie mieć uzębienie i może być przestawiane za pomocą koła zębatego, które jest sprzężone bezpośrednio z tym uzębieniem. Przy określonym ustawieniu sprężania wydrążone koło zębate podczas pracy

184 758 silnika pozostaje nieruchome. Jest również do pomyślenia, by wydrążone koło zębate obracało się wraz z wałem korbowym. W takim przypadku położenie obrotowe mimośrodu w trakcie jednego obrotu pozostaje takie samo, tak że skuteczna długość ramienia korby jest zawsze taka sama w trakcie całego obrotu. Środek mimośrodu opisuj e odpowiednio juz nie elipsę, lecz okrąg. Przestawianie następowałoby wtedy tak, że trzeba byłoby zmieniać położenie obrotowe wydrążonego koła względem osi korby.

Silnik według wynalazku umożliwia poprzez regulację stosunku sprężania uwzględnianie dalszego ważnego parametru, który w miarodajny sposób wpływa na charakterystykę silnika i rozwijaną moc. Możliwa jest przy tym modyfikacja istniejących czynników, przy czym w nowej serii trzebajedynie dostosować wały korbowe i w pewnych przypadkach bloki silników, a nie j est konieczna całkowicie nowa konstrukcj a silnika. W wielu przypadkach istniej ący blok silnika można nawet dalej wykorzystywać, jeżeli jest wystarczające miejsce, by zmieścić koła zębate i wał boczny. Cylindry, tłoki, korbowody i części osprzętu silnika, takie jak zapłon i wtrysk, oraz agregaty pomocnicze pozostająprzy takiej modyfikacji w zasadzie bez zmian. Silnik spalinowy ze zmiennym sprężaniem rozwija znacznie większą moc przy równocześnie lepszym spokojnym biegu i ze względu na zwiększoną sprawność zapewnia dalej zoptymalizowane zużycie paliwa, przy czym na skutek optymalnego spalania można również dalej zmniejszyć wydzielanie szkodliwych składników.

184 758

184 758

FIG. 3

184 758

184 758

FIG 5

O

184 758

FIG 6

184 758

FIG 7

184 758

184 758

C)

184 758

FIG 10

184 758

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz

Cena 4,00 zł.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Silnik spalinowy typu silnika tłokowego o zmiennym stosunku sprężania, w którym piasta tłoka jest nastawialna za pomocą korbowodu zamontowanego po stronie wału korbowego ułożyskowanego na mimośrodowym czopie korbowym, przy czym ten mimośrodowy czop korbowy jest podczas pracy silnika przestawialny wokół swej osi obrotu za pomocą elementów sterujących, znamienny tym, że mimośrodowy czop korbowy (1) utworzony jest z co najmniej dwóch obejmujących go jednoczęściowych półpanewek (26,27), umieszczonych dookoła wału ramienia korby (15) wału korbowego (14), każda z tych półpanewek (26,27) ma segment koła zębatego (28,29), które to segmenty (28,29) również obejmują wał ramienia korby (15) wału korbowego (14), przy czym koło zębate (3) utworzone z tych segmentów (28, 29) stanowi zewnętrzne koło zębate (3) wewnątrz wewnętrznego koła zębatego (4) o większej średnicy, wewnątrz którego, podczas pracy silnika, wykonuje ono ruch obiegowy; przy czym wewnętrzne koło zębate (4) jest obrotowo koncentrycznie zamontowane wokół osi (8) wału korbowego (14), ajego pozycja obrotowajest dostosowana do pracy silnika tak że podczas pracy silnika zewnętrzne koło zębate (3), wykonuje dokładnie jeden obrót wokół siebie przy każdym obiegu dookoła wewnętrznego koła zębatego (4) kiedy jest ono usytuowane w stacjonarnie dostosowanej pozycji, przy której ruch efektywnego środka łożyska dolnego końca korbowodu zawsze opisuje elipsę w linii z dostosowaną pozycją, przy czym elipsa ta bezstopniowo przyjmuje wszystkie pośrednie położenia pomiędzy elipsą pionową a poziomą.
2. 2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wewnętrzne koło zębate (4) jest koncentrycznie połączone po jego płaskiej stronie z walcowym kołem zębatym (5), które jest przestawiane przez dalsze sterujące koło zębate (6) zazębione z walcowym kołem zębatym (5).
3. 3. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wewnętrzne koło zębate (4) na swym zewnętrznym obwodzie ma uzębienie i jest przestawiane za pomocą sterującego koła zębatego (6), które jest zazębione bezpośrednio z tym uzębieniem.
4. 4. Silnik według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że sterujące koło zębate (6) jest obracane za pomocą odzielnego serwomotoru, w następstwie czego stopień sprężania silnika jest regulowany za pomocą zmiany długości korby, przy czym serwomotor ten jest sterowany mikroprocesorem, w którym przetwarzany jest elektronicznie co najmniej jeden mierzony parametr pracy silnika.
5. 5. Silnik według zastrz. 4, znamienny tym, że serwomotor jest elektrycznym silnikiem krokowym, który poprzez zębnik napędza sterujące koło zębate (6).
6. 6. Silnik według zastrz. 4, znamienny tym, że serwomotor jest elektrycznym silnikiem krokowym, który poprzez pasek zębaty napędza sterujące koło zębate (6) lub jego oś napędową (24).
7. 7. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wyposażony jest mikroprocesor, który za pomocą sygnałów odpowiadających obciążeniu silnika, określonemu w przekładni, określonej prędkości obrotowej silnika, określonej ilości powietrza oraz sygnału z czujnika stukania, przetwarza te wartości elektronicznie w sygnał sterujący dla serwomotoru.
8. 8. Silnik według zastrz. 2, znamienny tym, że w przypadku silnika o wielu cylindrach sterujące kola zębate (6) poszczególnych cylindrów są umieszczone sztywno na wspólnym bocznym wale (24).
9. 9. Silnik według zastrz. 2, znamienny tym. że sterujące koło zębate (6) ma promień dwukrotnie większy niz walcowe koło zębate (5).

   184 758
10. 10. Silnik według zastrz. 1, zna mienny tym, że wewnętrrne koło zębate (4)jest usytuowane na wale korbowym (14) i ma oas-awialoz położenie oboo-owz względem wału korbowego, pozy czym efektywna długość ramienia koobowodu (9) jest stała w -oakcie całego oboo-u korby.