ITPC20110030A1

ITPC20110030A1 - HEAD OF ROTARY VALVES FOR THE CONVERSION OF A FOUR-STROKE ENGINE WITH INTERNAL COMBUSTION IN ONE OF TWO TIMES WITH BRAYTON CYCLE EXTERNAL COMBUSTION.

Info

Publication number: ITPC20110030A1
Application number: IT000030A
Authority: IT
Inventors: Fabio Cella; Annalisa Polledri
Original assignee: Syngen Srl
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-06-02

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale avente per titolo: DESCRIPTION of the industrial invention entitled:

TESTATA A VALVOLE ROTATIVE PER LA CONVERSIONE DI UN MOTORE A QUATTRO TEMPI A COMBUSTIONE INTERNA IN UNO A DUE TEMPI A COMBUSTIONE ESTERNA OPERANTE A CICLO BRAYTON. ROTARY VALVE HEAD FOR THE CONVERSION OF A FOUR STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE INTO A TWO STROKE EXTERNAL COMBUSTION ENGINE OPERATING IN BRAYTON CYCLE.

L’innovazione è illustrata dettagliatamente nelle figure allegate, nelle quali le singole parti descritte vengono indicate sui disegni con numeri. Per semplicità di lettura, la numerazione relativa alle varie parti è sempre la stessa anche quando esse sono rappresentate su varie figure. In estrema sintesi l’innovazione è una testata da applicare in sostituzione delle comuni testate per motori da trazione pesante, costituita da uno statore in alluminio all’interno del quale sono realizzati gli alloggiamenti dove ruotano le valvole rotative. La dimensione delle luci ed il modo di realizzazione all’interno dello statore stesso sono le parti originali dell’innovazione. The innovation is illustrated in detail in the attached figures, in which the individual parts described are indicated on the drawings with numbers. For ease of reading, the numbering relating to the various parts is always the same even when they are represented on various figures. In a nutshell, the innovation is a cylinder head to be applied to replace the common cylinder heads for heavy traction engines, consisting of an aluminum stator inside which the housings where the rotary valves rotate are made. The size of the lights and the way of construction inside the stator itself are the original parts of the innovation.

La Fig. 1 mostra la vista dall’alto e frontale di una testata che viene montata sui comuni motori a combustione interna per la loro trasformazione a combustione esterna e a ciclo Brayton. Tutte le figure, ad eccezione della Fig. 1, mostrano, per semplicità di esposizione, una sola parte dello statore che alloggia una sola valvola rotativa. Fig. 1 shows the top and front view of a cylinder head that is mounted on common internal combustion engines for their conversion to external combustion and to the Brayton cycle. All the figures, with the exception of Fig. 1, show, for the sake of simplicity, a single part of the stator which houses a single rotary valve.

Statore: lo statore è un corpo in alluminio all’interno del quale sono realizzati i fori di fissaggio (1) esattamente eguali a quelli già presenti sui basamenti dei motori convenzionali. Dei bulloni permettono il fissaggio solidale fra statore e basamento, frapponendo una guarnizione. Sulla base dello statore, sono presenti i fori di passaggio dell’acqua di raffreddamento (2) ed un foro per il ritorno dell’olio in coppa (3). Stator: the stator is an aluminum body inside which the fixing holes (1) are made exactly the same as those already present on the bases of conventional motors. Bolts allow the integral fixing between the stator and the base, interposing a gasket. On the base of the stator, there are the cooling water passage holes (2) and a hole for the oil return to the sump (3).

In Fig. 2 (ingrandimento di una parte della Fig. 1), è presente una condotta (4) di sezione trapezoidale all'interno della quale entra l’aria compressa riscaldata che viene laminata dalla valvola rotativa, mentre lo scarico avviene attraverso la condotta (5), che è raccordata alla valvola rotativa da una camera (6), avente forma a sezione di corona circolare. I volumi (7) vengono riempiti con un materiale a base di fibra ceramica che ha lo scopo di isolare termicamente le condotte e ridurre la dispersione del calore. Il volume (8) è allagato con l’acqua di raffreddamento proveniente dal volume (9) dove si vede il foro di mandata dell’acqua di raffreddamento (2), proveniente dal monoblocco. All’interno del volume (8) è presente un foro per lo scarico dell’acqua che ritorna al monoblocco. Sono visibili i fori per la lubrificazione della valvola rotativa (10); tali fori conducono il lubrificante sulla superficie di rasamento tra la superficie esterna della valvola e quella interna dello statore, adducendo olio a tre differenti posizioni della valvola stessa, e più esattamente alle due estremità della parte conica e al centro della parte cilindrica. In Fig. 2 (enlargement of a part of Fig. 1), there is a duct (4) with a trapezoidal section inside which the heated compressed air enters which is laminated by the rotary valve, while the discharge takes place through the duct (5), which is connected to the rotary valve by a chamber (6), having the shape of a circular ring section. The volumes (7) are filled with a material based on ceramic fiber which has the purpose of thermally insulating the pipes and reducing heat dispersion. The volume (8) is flooded with the cooling water coming from the volume (9) where you can see the cooling water delivery hole (2), coming from the monoblock. Inside the volume (8) there is a hole for draining the water that returns to the monoblock. The holes for the lubrication of the rotary valve (10) are visible; these holes lead the lubricant onto the shim surface between the external surface of the valve and the internal surface of the stator, feeding oil to three different positions of the valve itself, and more precisely to the two ends of the conical part and to the center of the cylindrical part.

La Fig 3 mostra una vista dal basso dello statore dove si osserva l’alloggiamento della valvola rotativa avente forma tronco conica. Fig 3 shows a bottom view of the stator where you can observe the housing of the rotary valve having a truncated cone shape.

Essendo la valvola rappresentata nelle figure, progettata per operare in condizioni di temperatura pari a 700°C e di pressione pari a 4 Bar, la luce per l’ingresso dell’aria calda pressurizzata (11) ha un’ampiezza pari a 29° mentre la luce di scarico (12) ha un’ampiezza pari a 157°. Since the valve shown in the figures is designed to operate in conditions of temperature equal to 700 ° C and pressure equal to 4 Bar, the opening for the inlet of pressurized hot air (11) has an amplitude equal to 29 ° while the exhaust port (12) has a width of 157 °.

La Fig. 4 mostra la sezione di una valvola rotativa inserita all’interno della sua sede nello statore. Si osserva una condotta (13) che mette in comunicazione l’interno del cilindro con l’esterno. L’apertura (14) presente sulla superficie esterna della valvola rotativa ha un ampiezza pari a 35°. Il motore funziona a due tempi, con una fase di espansione ed una fase di scarico. Le valvole rotative sono mosse da un albero ad ingranaggi, mosso a sua volta dall’albero motore mediante una cinghia dentata. Quindi un giro del motore coincide con un giro completo di valvola rotativa. Durante la rotazione, l’apertura (14) posta sulla superficie esterna della valvola passa di fronte alle luci (11) e (12) poste sullo statore determinando le fasi di espansione e di scarico. Essendo la testata progettata per ottenere il massimo rendimento con un ciclo Brayton, avente una temperatura dell’aria di lavoro compresa fra 600 e 750° C e una pressione di lavoro compresa fra 3,5 e 5 Bar, ne deriva che la fase di ingesso dell’aria calda pressurizzata deve durare per un numero di gradi compreso fra 25° e 35°, dopo il punto morto superiore, segue l’espansione sino al punto morto inferiore ed infine lo scarico per una durata compresa fra 150° e 160°. Tali condizioni si ottengono intersecando durante la rotazione la luce della valvola rotativa e quelle poste sullo statore. Tale configurazione tiene conto anche dell’anticipo di apertura dello scarico per evitare fenomeni di contropressione. Fig. 4 shows the section of a rotary valve inserted inside its seat in the stator. A duct (13) is observed which connects the inside of the cylinder with the outside. The opening (14) present on the external surface of the rotary valve has an amplitude equal to 35 °. The engine works in two strokes, with an expansion phase and an exhaust phase. The rotary valves are moved by a gear shaft, which in turn is moved by the crankshaft by means of a toothed belt. Therefore, one revolution of the engine coincides with one complete revolution of the rotary valve. During rotation, the opening (14) located on the external surface of the valve passes in front of the ports (11) and (12) placed on the stator, determining the expansion and discharge phases. Since the head is designed to obtain maximum performance with a Brayton cycle, having a working air temperature between 600 and 750 ° C and a working pressure between 3.5 and 5 Bar, it follows that the inlet phase of the pressurized hot air must last for a number of degrees between 25 ° and 35 °, after the top dead center, it follows the expansion up to the bottom dead center and finally the discharge for a duration between 150 ° and 160 °. These conditions are obtained by intersecting the opening of the rotary valve and those placed on the stator during rotation. This configuration also takes into account the advance opening of the drain to avoid back pressure phenomena.

In corrispondenza con la parte alta dell’alloggiamento conico è ricavata una sede cilindrica (15) per la parte apicale della valvola. Si osserva un foro filettato (16) deputato a portare lubrificante ad una tenuta dinamica alloggiata nella valvola stessa (17). Una filettatura a passo fine (18) è realizzata all’esterno della sede cilindrica e la sua funzione è quella di regolare la distanza dei cuscinetti di centraggio della valvola rotativa. In correspondence with the upper part of the conical housing there is a cylindrical seat (15) for the apical part of the valve. There is a threaded hole (16) designed to bring lubricant to a dynamic seal housed in the valve itself (17). A fine pitch thread (18) is made outside the cylindrical seat and its function is to adjust the distance of the centering bearings of the rotary valve.

La Fig. 5 è una vista prospettica dal basso dello statore. Sono visibili i condotti dell’olio verticali che scaricano sul rasamento attraverso i fori (19), si vede completa la luce di ingresso per l’aria pressurizzata. Fig. 5 is a bottom perspective view of the stator. You can see the vertical oil ducts that discharge on the shim through the holes (19), the inlet port for pressurized air can be seen complete.

La Fig. 6 mostra due viste prospettiche dello statore. Nella vista superiore si osserva già montata una lastra inox di chiusura (20) della camera (6). Tale soluzione si rende necessaria in quanto lo statore viene realizzato da un unico blocco di alluminio attraverso un centro di lavoro a controllo numerico, che non può realizzare una camera chiusa come quella in progetto. Sotto il profilo costruttivo si sottolinea che la parte interna dell’alloggiamento conico della valvola, pur essendo lubrificato, è sede di forti attriti dovuti alla necessità di far tenere la pressione alle due parti, rotore e statore, in rotazione. Si rende quindi necessario un trattamento della superficie di rasamento, sia sullo statore, sia sulla valvola, con una ricopertura in Molibdeno al fine di facilitare lo scorrimento ed impedire fenomeni di grippaggio. La vista inferiore mostra in vista prospettica la lastra di chiusura superiore dello statore stesso. Tale lastra presenta due fori (21) e (22) per consentire il passaggio dell’acqua dalla camera (9) alla (8). La lastra dovrà necessariamente essere a sua volta chiusa da un’ultima lastra che presenti solamente i fori di fissaggio (1). Fig. 6 shows two perspective views of the stator. In the upper view, a stainless steel closing plate (20) of the chamber (6) is already mounted. This solution is necessary since the stator is made from a single block of aluminum through a numerically controlled work center, which cannot create a closed chamber like the one in the project. In terms of construction, it is emphasized that the internal part of the conical valve housing, although lubricated, is the site of strong friction due to the need to keep the pressure on the two parts, rotor and stator, in rotation. It is therefore necessary to treat the shim surface, both on the stator and on the valve, with a Molybdenum coating in order to facilitate sliding and prevent seizure phenomena. The lower view shows in perspective view the upper closing plate of the stator itself. This plate has two holes (21) and (22) to allow the passage of water from the chamber (9) to (8). The slab must necessarily be closed in turn by a last slab that has only the fixing holes (1).

Valvola rotativa: Rotary valve:

La Fig. 7 mostra la valvola rotativa al di fuori della sua sede nello statore. Inseriti nell’albero, partendo dal cilindro apicale si osservano posizionati una boccola (23), due cuscinetti sovrapposti (24), una boccola d’appoggio (25), una molla di richiamo (26), una ghiera di registrazione (27) e all’apice dell’albero si osserva la predisposizione per l'inserimento di un ingranaggio per la trasmissione del moto (28). Fig. 7 shows the rotary valve outside its seat in the stator. Inserted into the shaft, starting from the apical cylinder, a bush (23), two superimposed bearings (24), a support bush (25), a return spring (26), an adjustment ring nut (27) and at the apex of the shaft it is possible to observe the predisposition for the insertion of a gear for the transmission of motion (28).

La parte apicale della valvola è cilindrica e al di sopra della tenuta dinamica (17) sono realizzati tre incavi (29) a forma di “L” che hanno lo scopo di trasferire l’olio verso l’alto per la lubrificazione degli organi rotanti funzionando come pompa durante la rotazione. Il funzionamento è così riassunto. Durante la rotazione la superficie esterna conica della valvola deve rimanere ad una distanza minima (max 0,05 mm) dalla superficie interna della sua sede nello statore in modo da permettere la tenuta pneumatica fra le due parti ed al tempo stesso ruotare liberamente, allo numero di giri del motore. Inoltre, sulla valvola in rotazione, grava costantemente la forza esercitata dalla pressione deH’aria in ingresso che incide in corrispondenza della luce (11) e quella presente nel cilindro durante la fase di discesa del pistone verso il punto morto inferiore che comprime la valvola all’interno della sua sede. Questa spinta, che deve essere contrastata per prevenire surriscaldamento e danneggiamenti gravi, viene controbilanciata dalla resistenza assiale dei cuscinetti (24). L’albero non è solidale con i cuscinetti, ma è libero di muoversi nella direzione del suo asse e i cuscinetti assolvono la funzione di centraggio e di bilanciamento degli sforzi assiali. Grazie a questa libertà di movimento è possibile l’azione della molla (26) che, essendo pre-caricata durante il montaggio mediante la ghiera (27), mantiene la valvola sempre perfettamente a contatto con la sua sede. Tale libertà non permette però il trascinamento delle parti interne dei cuscinetti da parte dell’albero durante la rotazione e per ovviare a tale inconveniente si è scelto di trasmettere il moto attraverso la boccola (23); dunque il moto è trasmesso per attrito dalla parte cilindrica sommitale della valvola alla boccola (23) che lo trasmette all’interno dei cuscinetti sovrapposti (24) ed infine alla boccola di appoggio (25) per la molla (26). The apical part of the valve is cylindrical and above the dynamic seal (17) there are three "L" -shaped recesses (29) which have the purpose of transferring the oil upwards for the lubrication of the rotating parts. as a pump during rotation. The operation is summarized as follows. During rotation, the conical external surface of the valve must remain at a minimum distance (max 0.05 mm) from the internal surface of its seat in the stator so as to allow the pneumatic seal between the two parts and at the same time rotate freely, to the number of engine revolutions. Furthermore, the force exerted by the pressure of the incoming air that affects the port (11) and that present in the cylinder during the descent phase of the piston towards the lower dead center is constantly weighed down on the valve, which compresses the valve to the inside its headquarters. This thrust, which must be counteracted to prevent overheating and severe damage, is counterbalanced by the axial resistance of the bearings (24). The shaft is not integral with the bearings, but is free to move in the direction of its axis and the bearings perform the function of centering and balancing the axial forces. Thanks to this freedom of movement, the action of the spring (26) is possible which, being pre-loaded during assembly by means of the ring nut (27), keeps the valve always perfectly in contact with its seat. However, this freedom does not allow the internal parts of the bearings to be dragged by the shaft during rotation and to overcome this drawback it was decided to transmit the motion through the bushing (23); therefore the motion is transmitted by friction from the top cylindrical part of the valve to the bushing (23) which transmits it inside the superimposed bearings (24) and finally to the support bushing (25) for the spring (26).

Ghiere di registrazione: Registration dials:

Il posizionamento dei cuscinetti (24) e della boccola (23) impone la distanza tra superfici esterna della valvola ed interna della sede ove avviene il rasamento e la tenuta pneumatica che, come già visto non deve eccedere 0,05 mm. Tale fine registrazione viene realizzata attraverso un gioco di ghiere rappresentato in sezione in Fig. 8. The positioning of the bearings (24) and of the bushing (23) imposes the distance between the external surfaces of the valve and the inside of the seat where the shim and the pneumatic seal takes place which, as already seen, must not exceed 0.05 mm. This fine adjustment is achieved through a game of ring nuts shown in section in Fig. 8.

La ghiera (30) è realizzata con una battuta per il cuscinetto (24) in modo da opporsi all’espansione della molla pre-caricata. Internamente alla sua base è realizzata una filettatura (31) che si congiunge con la filettatura a passo fine (18) realizzata all’esterno della sede cilindrica. La registrazione di queste viti permette di avvicinare o allontanare a piacere la valvola dalla sua sede di rotazione. Entrambi i filetti devono essere rettificati per ottenere un alto grado di precisione. Sulla parte alta di detta ghiera è realizzata una filettatura fine esterna (32) sulla quale si avvita un elemento (33) che ha lo scopo di creare una battuta per i cuscinetti in modo da creare un impedimento all’eventuale scorrimento verso l’alto. Il serraggio fra la ghiera (30) e l’elemento filettato (33) imprigiona i cuscinetti in modo solidale che, divenuti un corpo unico, sono collocati in posizione di lavoro avvitandolo sullo statore mediante la filettatura. Nella ghiera (30) è visibile un foro orizzontale (34) deputato allo scarico dell’olio per la lubrificazione dei cuscinetti, il quale è stato portato in sede dalla rotazione degli incavi (29), realizzati nella parte cilindrica della valvola. The ring nut (30) is made with a stop for the bearing (24) in order to oppose the expansion of the pre-loaded spring. Inside its base there is a thread (31) which joins with the fine pitch thread (18) made outside the cylindrical seat. The adjustment of these screws allows the valve to be approached or moved away from its rotation seat as desired. Both threads must be ground to achieve a high degree of accuracy. On the upper part of said ring there is a fine external thread (32) on which an element (33) is screwed which has the purpose of creating a stop for the bearings in order to create an impediment to any sliding upwards. The tightening between the ring nut (30) and the threaded element (33) imprisons the bearings in an integral way which, having become a single body, are placed in the working position by screwing it onto the stator by means of the thread. In the ring nut (30) a horizontal hole (34) is visible for the discharge of the oil for the lubrication of the bearings, which was brought into place by the rotation of the recesses (29), made in the cylindrical part of the valve.

Claims

CLAIMS of the industrial invention entitled: ROTARY VALVE HEAD FOR THE CONVERSION OF A INTERNAL COMBUSTION FOUR STROKE ENGINE IN ONE A TWO STROKE EXTERNAL COMBUSTION OPERATING IN CYCLE BRAYTON. 1) Cylinder head for piston engines, with external combustion, operating in cycle Brayton, equipped with conical seats for housing rotary valves and adaptable to the monoblocks of common external combustion engines. There head is made from a single block of aluminum that is machined by means of a numerically controlled machine tool that obtains the seats of the valves, the pressurized hot air duct, the drain, the volumes to be flooded with cooling water coming from the monoblock, the volumes to be filled with ceramic fiber for insulation thermal, the channels for lubrication and the return of the oil in the sump. There tapered valve seat surface is molybdenum coated which gives anti-friction characteristics. The distance between the rotary valve 0 '<9> VV. and the said seat where it rotates is designed not to exceed 0.05 mm 2) Conical seats referred to in the previous claim within which two lights are made, one for the entry of pressurized hot air, the other for unloading. The opening angles are designed for optimize the expansion phase of the Brayton cycle in a piston engine and precisely for temperatures of the working fluid between 600 and 750 ° C and pressures between 3.5 and 5 Bar. The opening angles are between 25 ° and 35 ° for the air inlet port, between 150 ° and 160 ° for the exhaust port. The angles relating to the exhaust port also include the opening advance necessary to avoid overpressures in this phase. 3) System consisting of two coupled ring nuts which contain the bearings for centering and compensation of the axial stresses of the rotary valve and a bushing for motion transmission. The system allows, by means of a screw ring nut, to adjust the distance between the rotary valve and the conical surface where it rotates, ensuring the correct coupling between the bearings and the lower bush used to transmit motion by friction. The thread intended for the adjusting ring is ground to increase mounting accuracy.