PL241455B1

PL241455B1 - Hybrid power unit with hydrogen engine supplied from the integrated hydrogen fuel producing system and method for protection of a piston of such engine against the effects of detonation combustion, and method for obtaining periodical additional torque on the rotor shaft, in particular of helicopters powered by this engine

Info

Publication number: PL241455B1
Application number: PL421405A
Authority: PL
Inventors: Wojciech GAJ-JABŁOŃSKI; Wojciech Gaj-Jabłoński
Original assignee: Wojciech Gaj-Jabłoński
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2022-10-10
Also published as: PL421405A1

Abstract

Zespół zawiera przeciwbieżny silnik z parą dwustronnych tłoków (3) umieszczonych w zespolonych z korpusem (1) cylindrach (2). Cylindry (2) zamknięte są przegrodą (8), przez którą przechodzi drążek popychacza (4). Tłoki (3) składają się z górnej połówki tłoka, sprężyny (3b) oraz dolnej połówki tłoka. Cylindry (2) mają pośrodku kanały wlotu sprężonego powietrza (5) oraz kanały wylotu produktów spalania (6). W głowicy (7) oraz w przegrodzie (8) każdego cylindra (2) znajdują się wtryskiwacz paliwa (9), wtryskiwacz pary wodnej (10) oraz element zapłonowy (11). Do wtryskiwaczy paliwa (9) podawane jest paliwo wodorowe z układu, złożonego z generatora HHO (22), jonizatora tlenu (23), łącznika gazowego (24), sprężarki (25) oraz dozowników paliwa (26). Tłoki (3) jednej pary połączone są wałem korbowym (28), wyposażonym w wyjściowe wałki. Wałki te połączone są sprzęgłami z dwoma przeciwbieżnymi systemami wirnikowymi, zaopatrzonymi w wirniki. Każdy z końców wirników połączony jest z obręczą rotora, umieszczonego wewnątrz obręczy statora. W obręczy rotora znajduje się szereg dipoli magnetycznych, zaś w obręczy statora znajdują się cewki indukcyjne. Ich wyjścia połączone są z zewnętrznym układem sterowania i gromadzenia energii elektrycznej. Sposób zabezpieczenia tłoka przed skutkami spalania detonacyjnego wodoru polega na wykorzystaniu sprężystości sprężyny kompensacyjnej umieszczonej pomiędzy dwoma przesuwnymi połówkami tłoka, a ponadto chłodzi się połówki tłoka strugą sprężonego powietrza. Sposób uzyskiwania dodatkowego momentu obrotowego na wale wirnika polega na przekazywaniu części energii wirnika do skojarzonego z nim układu gromadzenia i oddawania energii, z którego następnie pobiera się energię w przypadku niedoboru momentu obrotowego na wale wirnika.The assembly comprises a counter-rotating engine with a pair of double-sided pistons (3) placed in coupled with the body (1) cylinders (2). The cylinders (2) are closed with a partition (8) through which the pusher rod (4) passes. The pistons (3) consist of an upper piston half, a spring (3b) and a lower piston half. The cylinders (2) have compressed air inlet channels (5) and combustion products outlet channels (6) in the center. A fuel injector (9), a steam injector (10) and an ignition element (11) are located in the head (7) and in the partition (8) of each cylinder (2). Hydrogen fuel is fed to the fuel injectors (9) from the system consisting of the HHO generator (22), oxygen ionizer (23), gas connector (24), compressor (25) and fuel dispensers (26). Pistons (3) of one pair are connected by a crankshaft (28) equipped with output shafts. These shafts are connected by couplings with two counter-rotating rotor systems equipped with rotors. Each end of the rotors is connected to a rotor rim, located inside the stator rim. There are a series of magnetic dipoles in the rim of the rotor and inductors in the rim of the stator. Their outputs are connected to the external control and energy storage system. The method of securing the piston against the effects of hydrogen detonation combustion is based on the elasticity of the compensation spring placed between the two sliding piston halves, and the piston halves are cooled with a stream of compressed air. The method of obtaining additional torque on the rotor shaft is to transfer some of the rotor's energy to an associated energy storage and return system, which then extracts energy in the event of a torque shortage on the rotor shaft.

Description

PL 241 455 B1PL 241 455 B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest hybrydowy zespół napędowy z silnikiem spalania wewnętrznego w szczególności na paliwo wodorowe.The subject of the invention is a hybrid drive unit with an internal combustion engine, in particular for hydrogen fuel.

Znany jest z publikacji zgłoszonego w trybie PCT wynalazku nr WO 2017/039464 silnik wodorowy, mający jedną parę przymocowanych do korpusu dwukomorowych cylindrów o powierzchni wewnętrznej, pokrytej powłoką diamentową, w których umieszczone są dwustronne posuwisto-zwrotne tłoki, przy czym cylindry wraz z tłokami skierowane są względem siebie przeciwnie o kąt 180° w płaszczyźnie osi obrotu sprzęgającego je ze sobą dwudzielnego wału korbowego, umieszczonego w korpusie albo są w pozycji wzajemnego ułożenia na kształt litery V. Wał korbowy składa się z dwóch takich samych elementów korbowych, które skierowane są przeciwnie względem siebie wzdłuż ich wspólnej osi obrotu i połączone są ze sobą obrotowo przeciwbieżnie wokół tej osi za pomocą łożyska dystansowego. Wał korbowy ma ponadto z obu stron wyprowadzone wałki do przekazywania napędu. Funkcja sprzęgająca wału korbowego realizowana jest z wykorzystaniem dwóch jednakowych par korbowodów, z których każdy korbowód danej pary połączony jest jednym swym końcem obrotowo z jednym z przeciwbieżnych elementów korbowych wału korbowego. Drugie końce tej pary korbowodów połączone są wahliwie z jednym z dwóch poprzecznych wałków, z których każdy połączony jest sztywno poprzez prostopadły do niego drążek popychacza z jednym z pary sprzęgniętych ze sobą tłoków. Pośrodku ściany każdego z cylindrów, której powierzchnia wewnętrzna pokryta jest powłoką antykorozyjną, znajdują się kanał wlotu powietrza przepłukującego oraz kanał wylotu produktów spalania wraz z powietrzem przepłukującym. W głowicy każdego cylindra oraz w jego dolnej przegrodzie umieszczone są wtryskiwacz paliwa, wtryskiwacz pary wodnej i element zapłonowy. Pośrodku każdej dolnej przegrody osadzone jest liniowe łożysko ślizgowe przegrody, poprzez które przeprowadzony jest drążek popychacza. Łożysko ślizgowe przegrody wyposażone jest od spodu w pierścieniowy element uszczelniający, nad którym na pozostałej długości łożyska ślizgowego, pomiędzy jego ścianką a powierzchnią wałka drążka popychacza, utworzona jest mikroszczelina smarownicza. Przyporządkowane każdemu z cylindrów wtryskiwacze pary wodnej przyłączone są swoimi przewodami pary wodnej do urządzenia dozującego parę wodną, które z kolei zasilane jest z zamontowanej na rurze wydechowej odpowiedniego cylindra generatora pary wodnej. Ponadto na każdej z poszczególnych rur wydechowych zainstalowane jest termoogniwo, a w świetle jej przelotu wmontowane są turbina prądnicy oraz turbina wentylatora wspomagającego. Wentylator wspomagający doprowadza, poprzez wentylator główny przyporządkowany do przeciwległego cylindra, powietrze przepłukujące do kanału wlotu sprężonego powietrza tegoż cylindra. Wyjścia elektryczne wszystkich prądnic połączone są równolegle z wyjściami elektrycznymi wszystkich termoogniw i doprowadzone są do akumulatora, zasilającego generator HHO. Tlenowy przewód gazowy z generatora HHO doprowadzony jest do jonizatora ultrafioletowego, a stąd dalej do jednego z wejść trójdrożnego łącznika gazowego, do którego drugiego wejścia doprowadzony jest z generatora HHO wodorowy przewód gazowy. Wyjście łącznika gazowego przyłączone jest poprzez sprężarkę równolegle do wejść wszystkich indywidualnych dozowników paliwa, których wyjścia z kolei połączone są ze wszystkimi przyporządkowanymi im wtryskiwaczami paliwa.It is known from the publication of the invention submitted in the PCT mode No. WO 2017/039464, a hydrogen engine with one pair of two-chamber cylinders attached to the body, with an internal surface covered with a diamond coating, in which double-sided reciprocating pistons are placed, with the cylinders together with the pistons directed opposite each other by an angle of 180° in the plane of the axis of rotation of the two-piece crankshaft that engages them and is located in the body or are in a V-shaped position with respect to each other. each other along their common axis of rotation and are connected to each other in opposite rotation around this axis by means of a spacer bearing. Furthermore, the crankshaft has shafts for transmission of drive on both sides. The coupling function of the crankshaft is performed with the use of two identical pairs of connecting rods, each connecting rod of a given pair being pivotally connected at one end to one of the counter-rotating crank elements of the crankshaft. The other ends of this pair of connecting rods are pivotally connected to one of the two transverse shafts, each of which is rigidly connected through a push rod perpendicular to it with one of the pair of coupled pistons. In the middle of the wall of each cylinder, the inner surface of which is covered with an anti-corrosion coating, there is a purge air inlet channel and a combustion products outlet channel with purge air. A fuel injector, a steam injector and an ignition element are located in the head of each cylinder and in its lower bulkhead. In the center of each lower baffle there is a linear baffle slide bearing through which the pusher rod is passed. The slide bearing of the partition is equipped with an annular sealing element from the bottom, above which a lubricating micro-gap is formed over the remaining length of the slide bearing, between its wall and the surface of the shaft of the pusher rod. The steam injectors assigned to each of the cylinders are connected with their steam conduits to the steam dispensing device, which in turn is supplied from the appropriate cylinder of the steam generator mounted on the exhaust pipe. In addition, a thermocouple is installed on each of the individual exhaust pipes, and the turbine of the generator and the turbine of the auxiliary fan are installed in the light of its passage. The auxiliary fan supplies, through the main fan assigned to the opposite cylinder, the purge air to the compressed air inlet duct of this cylinder. The electrical outputs of all generators are connected in parallel with the electrical outputs of all thermocouples and are connected to the battery that powers the HHO generator. The oxygen gas line from the HHO generator is led to the ultraviolet ionizer, and from there to one of the inputs of the three-way gas connector, to the other input of which a hydrogen gas line is led from the HHO generator. The output of the gas connector is connected through the compressor in parallel to the inputs of all individual fuel dispensers, whose outputs, in turn, are connected to all assigned fuel injectors.

Znany jest również opracowany przez niemiecką firmę Airstier hybrydowy system napędowy dronów powietrznych, zawierający cztery indywidualne silniki spalinowe do napędu czterech śmigieł drona oraz sprzężone z nimi cztery pomocnicze silniki elektryczne, umożliwiające zwiększenie jego stabilności i zwrotności w powietrzu.Also known is the hybrid air drone propulsion system developed by the German company Airstier, containing four individual combustion engines to drive the drone's four propellers and four auxiliary electric motors coupled with them, enabling it to increase its stability and maneuverability in the air.

Znany jest ponadto z opisu patentowego US 6918382 zasilany paliwem wodorowym silnik wewnętrznego spalania do napędu skutera z kontrolowaną ilością wtryskiwanego wodoru. Zastosowany w nim system sterowania ilością paliwa wodorowego powoduje wtrysk paliwa do przepustnicy silnika z uwzględnieniem wielu parametrów, w tym ilości wodoru znajdującego się w jednostce magazynowania wodoru, która monitorowana jest za pomocą systemu pomiaru paliwa wodorowego przy wykorzystaniu mikrokontrolera oraz wielu współpracujących z nim czujników.Also known from U.S. Patent No. 6,918,382 is a hydrogen fueled internal combustion engine for driving a scooter with a controlled amount of hydrogen injected. The hydrogen fuel quantity control system used in it causes the injection of fuel into the engine throttle taking into account many parameters, including the amount of hydrogen in the hydrogen storage unit, which is monitored by a hydrogen fuel measurement system using a microcontroller and many sensors cooperating with it.

Cechą charakterystyczną procesu spalania w komorze cylindra znanego silnika, zasilanego mieszanką wodorową, jest detonacyjne spalanie wodoru przy temperaturze w komorze spalania cylindra dochodzącej do 7000°C. Zjawiska te mają niekorzystny wpływ na trwałość elementów silnika, zwłaszcza na żywotność i stabilność parametrów jego części ruchomych, w szczególności tłoków. Wskazany problem znalazł rozwiązanie w przedstawionym niżej opracowaniu hybrydowego zespołu napędowego oraz związanych z nim sposobach według wynalazku.A characteristic feature of the combustion process in the cylinder chamber of a known engine fueled with a hydrogen mixture is detonation hydrogen combustion at a temperature in the cylinder combustion chamber of up to 7000°C. These phenomena have an adverse effect on the durability of engine components, especially on the service life and stability of the parameters of its moving parts, in particular pistons. The indicated problem has been solved in the following development of a hybrid power unit and related methods according to the invention.

PL 241 455 B1PL 241 455 B1

Hybrydowy zespół napędowy według wynalazku zawiera jednosuwowy przeciwbieżny silnik w szczególności na paliwo wodorowe, mający parę dwustronnych posuwisto-zwrotnych tłoków, które umieszczone są w zespolonych z korpusem, przeciwnie skierowanych względem siebie, dwukomorowych cylindrach. Od strony zewnętrznej cylindry zamknięte są głowicą, natomiast w miejscu swego zespolenia z korpusem zamknięte są przegrodą z umieszczonym w niej liniowym łożyskiem ślizgowym przegrody, przez które do korpusu przeprowadzony jest drążek popychacza. Każdy z tłoków składa się z górnej połówki tłoka oraz, oddzielonej od niej sprężyną kompensacyjną, dolnej połówki tłoka. Górna połówka tłoka oraz dolna połówka tłoka umieszczone są przesuwnie na drążku popychacza za pośrednictwem osadzonych w nich górnego łożyska ślizgowego tłoka oraz dolnego łożyska ślizgowego tłoka. Ponadto na drążku popychacza znajdują się, unieruchomione na nim i przylegające odpowiednio do powierzchni zewnętrznych górnej połówki tłoka i dolnej połówki tłoka, górny ogranicznik oraz dolny ogranicznik. Pośrodku ścian cylindrów znajdują się kanały wlotowe, do których doprowadzane jest powietrze przepłukujące z wyjścia wentylatorów, oraz kanały wylotowe, które służą do odprowadzania powietrza przepłukującego wraz z produktami spalania za pośrednictwem rur wydechowych. W głowicy każdego cylindra oraz w jego przegrodzie umieszczone są wtryskiwacz paliwa, wtryskiwacz pary wodnej oraz element zapłonowy. Znajdujące się w każdej parze cylindrów tłoki sprzęgnięte są ze sobą za pomocą umieszczonego w korpusie dwudzielnego wału korbowego. Wał korbowy złożony jest z pierwszego półwałka korbowego oraz drugiego półwałka korbowego, które usytuowane są przeciwnie względem siebie wzdłuż ich wspólnej osi obrotu i połączone są ze sobą obrotowo przeciwbieżnie wokół tej osi za pomocą łożyska dystansowego. Funkcja sprzęgająca wału korbowego w odniesieniu do każdej pary tłoków realizowana jest z wykorzystaniem dwóch jednakowych par korbowodów, składających się z pierwszego korbowodu oraz drugiego korbowodu. Pierwszy korbowód oraz drugi korbowód jednej pary połączone są każdy swym jednym końcem mimośrodowo odpowiednio z pierwszym półwałkiem korbowym oraz drugim półwałkiem korbowym. Drugie końce tej pary korbowodów połączone są wahliwie z jednym z dwóch poprzecznych wałków, z których każdy połączony jest sztywno poprzez prostopadły do niego drążek popychacza z jednym z dwóch tłoków, znajdujących się w naprzeciwległych cylindrach danej pary. Z pierwszego półwałka korbowego oraz drugiego półwałka korbowego wyprowadzone są odpowiednio pierwszy wałek wyjściowy oraz drugi wałek wyjściowy, które połączone są poprzez odpowiednio pierwsze sprzęgło oraz drugie sprzęgło z pierwszym systemem wirnikowym oraz drugim systemem wirnikowym.The hybrid power unit according to the invention comprises a single-stroke counter-rotating engine, in particular for hydrogen fuel, having a pair of double-sided reciprocating pistons which are housed in oppositely directed double-chamber cylinders integral with the body. From the outside, the cylinders are closed with a head, while in the place of their union with the body, they are closed with a partition with a linear slide bearing of the partition, through which the pusher rod is led to the body. Each piston consists of an upper piston half and, separated from it by a compensation spring, a lower piston half. The upper half of the piston and the lower half of the piston are slidably located on the follower rod through the upper piston slide bearing and the lower piston slide bearing embedded therein. Moreover, on the rod of the pusher, fixed on it and adjacent to the outer surfaces of the upper piston half and the lower piston half, respectively, there are an upper stop and a lower stop. In the middle of the walls of the cylinders there are inlet ducts, into which scavenging air is supplied from the outlet of the fans, and exhaust ducts, which serve to discharge scavenging air together with combustion products through the exhaust pipes. A fuel injector, a steam injector and an ignition element are located in the head of each cylinder and in its bulkhead. The pistons located in each pair of cylinders are coupled with each other by means of a split crankshaft located in the body. The crankshaft is composed of a first crankshaft and a second crankshaft which are arranged opposite each other along their common axis of rotation and are connected to each other in opposite rotation about this axis by means of a spacer bearing. The coupling function of the crankshaft in relation to each pair of pistons is carried out using two identical pairs of connecting rods, consisting of the first connecting rod and the second connecting rod. The first connecting rod and the second connecting rod of one pair are each connected at one end eccentrically to the first crankshaft and the second crankshaft, respectively. The other ends of this pair of connecting rods are pivotally connected to one of the two transverse shafts, each of which is rigidly connected through a pusher rod perpendicular to it with one of the two pistons located in the opposite cylinders of a given pair. From the first crankshaft and the second crankshaft, a first output shaft and a second output shaft, respectively, are derived, which are connected via a first clutch and a second clutch, respectively, to the first rotor system and the second rotor system.

W wariancie wykonania wynalazku pierwszy system wirnikowy oraz taki sam drugi system wirnikowy stanowią pojedyncze korzystnie wielopłatowe wirniki, które zamocowane są na wałkach odbiorczych odpowiednio pierwszego sprzęgła oraz drugiego sprzęgła.In an embodiment of the invention, the first rotor system and the same second rotor system are single, preferably multi-bladed rotors, which are mounted on the input shafts of the first clutch and the second clutch, respectively.

W innym wariancie wykonania pierwszy system wirnikowy oraz taki sam drugi system wirnikowy stanowią dwie pary korzystnie wielopłatowych wirników. Wałki napędowe tych wirników połączone są z osadzonymi na wałkach odbiorczych pierwszego sprzęgła oraz drugiego sprzęgła za pośrednictwem odpowiednio pierwszego pasa transmisyjnego oraz drugiego pasa transmisyjnego.In another embodiment, the first rotor system and the same second rotor system are two pairs of preferably multi-lobe rotors. The drive shafts of these rotors are connected to the receiving shafts of the first clutch and the second clutch by means of the first transmission belt and the second transmission belt, respectively.

Końce płatów każdego wirnika zamocowane są w kołowej obręczy rotora, która umiejscowiona jest centrycznie w kołowej obręczy statora, przy zachowaniu minimalnej odległości między nimi, umożliwiającej swobodny ruch obrotowy obręczy rotora. W każdej obręczy rotora umieszczone są równomiernie wzdłuż jego obwodu dipole magnetyczne w postaci magnesów neodymowych, natomiast w obręczy każdego statora umieszczone są równomiernie wzdłuż jego obwodu cewki indukcyjne. Wszystkie cewki indukcyjne każdej obręczy statora przyłączone są odpowiednio do swoich indywidualnych zespołów komutacyjnych, a te z kolei połączone są ze wspólnym zespołem gromadzenia i oddawania energii elektrycznej, przy czym układy komutacyjne oraz zespół gromadzenia i oddawania energii elektrycznej przyłączone są do zespołu sterującego. Tworzy to razem, związany z wirnikami, zespół maszyn elektrycznych, pełniących, w zależności od potrzeby, funkcję dodatkowych silników napędowych wirników albo prądnic do gromadzenia zapasu energii w czasie lotu.The ends of the lobes of each rotor are fixed in a circular rotor rim, which is located centrally in the stator circular rim, with a minimum distance between them, enabling free rotation of the rotor rim. In each rotor rim, magnetic dipoles in the form of neodymium magnets are placed evenly along its circumference, while inductive coils are placed evenly along its circumference in each stator rim. All induction coils of each stator rim are connected to their individual commutation assemblies, which in turn are connected to a common electric energy collection and output unit, while the commutation systems and the electric energy accumulation and output unit are connected to the control unit. Together, this creates a set of electric machines connected with the rotors, which, depending on the needs, function as additional motors driving the rotors or generators to accumulate energy reserves during the flight.

Hybrydowy zespół napędowy według wynalazku z silnikiem wodorowym przeznaczony jest do wszelkich pojazdów lądowych, statków nawodnych i podwodnych, a w szczególności statków powietrznych ze względu na mieszany spalinowo-elektryczny system napędu tych obiektów. System ten, zastosowany w śmigłowcach, zapewnia bezpieczeństwo lotu w przypadku awarii silnika spalinowego. W takiej sytuacji funkcję napędową silnika spalinowego przejmuje, na czas umożliwiający bezpieczne lądowanie, zespół maszyn elektrycznych, pracujących w charakterze elektrycznych silników napędowych z możliwością indywidualnego sterowania ich mocą. Jest to najważniejsza zaleta rozwiązania wedługThe hybrid propulsion unit according to the invention with a hydrogen engine is intended for all land vehicles, surface and submarine vessels, and in particular aircraft due to the mixed diesel-electric propulsion system of these objects. This system, used in helicopters, ensures flight safety in the event of a combustion engine failure. In such a situation, the driving function of the internal combustion engine is taken over, for a time enabling safe landing, by a set of electric machines operating as electric propulsion motors with the possibility of individual control of their power. This is the most important advantage of the solution according to

PL 241 455 B1 wynalazku. Zaletą jest również w tym przypadku możliwość optymalnego wykorzystania mocy napędu i zmniejszenia zużycia paliwa.PL 241 455 B1 of the invention. The advantage in this case is also the possibility of optimal use of drive power and reduction of fuel consumption.

Wynalazek pokazano w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy silnika na paliwo wodorowe, fig. 2 - poglądowy rysunek wału korbowego wraz parą tłoków, ponadto na fig. 3 pokazany jest widok tłoka w półprzekroju, a na fig. 4 - ogólna koncepcja sprzężenia silnika spalinowego z systemami wirnikowymi, poza tym fig. 5 stanowi schematyczne przedstawienie zespołu napędowego według wariantu pierwszego w ujęciu górnym systemu wirnikowego w powiązaniu z układami sterowania, fig. 6 stanowi schematyczne przedstawienie zespołu napędowego według wariantu pierwszego w ujęciu bocznym systemów wirnikowych, natomiast fig. 7 stanowi schematyczne przedstawienie zespołu napędowego według wariantu drugiego w ujęciu bocznym systemów wirnikowych.The invention is shown in an embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a schematic diagram of a hydrogen fuel engine, Fig. 2 - an illustrative drawing of a crankshaft with a pair of pistons, in addition, Fig. 3 shows a half-section view of a piston, and Fig. 4 - the general concept of coupling the internal combustion engine with the rotor systems, besides, Fig. 5 is a schematic representation of the drive unit according to the first variant in the top view of the rotor system in connection with the control systems, Fig. 6 is a schematic representation of the drive unit according to the first variant in the side view of the rotor systems , while Fig. 7 is a schematic representation of the drive unit according to the second variant in a side view of the rotor systems.

Zespół napędowy zawiera jednosuwowy przeciwbieżny silnik w szczególności na paliwo wodorowe, mający parę dwustronnych posuwisto-zwrotnych tłoków 1, które umieszczone są w zespolonych z korpusem 2, przeciwnie skierowanych względem siebie, dwukomorowych cylindrach 3 o pokrytej powłoką diamentową powierzchni wewnętrznej. Pokrycie ścian cylindrów powłoką diamentową jest znaną metodą uodpornienia ich na oddziaływanie wysokiej temperatury występującej przy spalaniu paliwa wodorowego. Od strony zewnętrznej cylindry 3 zamknięte są głowicą 4, natomiast w miejscu swego zespolenia z korpusem 2 zamknięte są przegrodą 5 z umieszczonym w niej liniowym łożyskiem ślizgowym przegrody 6, przez które do korpusu 2 przeprowadzony jest drążek popychacza 7. Każdy z tłoków 1 składa się z górnej połówki tłoka 1a oraz, oddzielonej od niej spiralną sprężyną kompensacyjną 1b, dolnej połówki tłoka 1c. Górna połówka tłoka 1a oraz dolna połówka tłoka 1c umieszczone są przesuwnie na drążku popychacza 7 za pośrednictwem osadzonych w nich górnego łożyska ślizgowego tłoka 1d oraz dolnego łożyska ślizgowego tłoka 1e. Ponadto na drążku popychacza 7 znajdują się, unieruchomione na nim i przylegające odpowiednio do powierzchni zewnętrznych górnej połówki tłoka 1a i dolnej połówki tłoka 1c, górny ogranicznik 1f oraz dolny ogranicznik 1g. Pośrodku ścian cylindrów 3 znajdują się kanały wlotowe 8, do których doprowadzane jest powietrze przepłukujące z wyjścia wentylatorów 9, oraz kanały wylotowe 10, które służą do odprowadzania powietrza przepłukującego wraz z produktami spalania za pośrednictwem rur wydechowych 11. W głowicy 4 każdego cylindra 3 oraz w jego przegrodzie 5 umieszczone są wtryskiwacz paliwa 12, wtryskiwacz pary wodnej 13 oraz element zapłonowy 14. Znajdujące się w każdej parze cylindrów 3 tłoki 1 sprzęgnięte są ze sobą za pomocą, umieszczonego w korpusie 2, dwudzielnego wału korbowego 15. Wał korbowy 15 złożony jest z pierwszego półwałka korbowego 15a oraz drugiego półwałka korbowego 15b, które usytuowane są przeciwnie względem siebie wzdłuż ich wspólnej osi obrotu i połączone są ze sobą obrotowo przeciwbieżnie wokół tej osi za pomocą łożyska dystansowego 16. Funkcja sprzęgająca wału korbowego 15 w odniesieniu do każdej pary tłoków 1 realizowana jest z wykorzystaniem dwóch jednakowych par korbowodów, składających się z pierwszego korbowodu 17a oraz drugiego korbowodu 17b. Pierwszy korbowód 17a oraz drugi korbowód 17b jednej pary połączone są każdy swym jednym końcem mimośrodowo odpowiednio z pierwszym półwałkiem korbowym 15a oraz drugim półwałkiem korbowym 15b. Drugie końce tej pary korbowodów 17a i 17b połączone są wahliwie z jednym z dwóch poprzecznych wałków 18, z których każdy połączony jest sztywno poprzez prostopadły do niego drążek popychacza 7 z jednym z dwóch tłoków 1, znajdujących się w naprzeciwległych cylindrach 3 danej pary. Z pierwszego półwałka korbowego 15a oraz drugiego półwałka korbowego 15b wyprowadzone są odpowiednio pierwszy wałek wyjściowy 19a oraz drugi wałek wyjściowy 19b, które połączone są poprzez odpowiednio pierwsze sprzęgło 20a oraz drugie sprzęgło 20b z pierwszym systemem wirnikowym 21 a oraz drugim systemem wirnikowym 21b.The power unit comprises a single-stroke counter-rotating engine, in particular for hydrogen fuel, having a pair of double-sided reciprocating pistons 1, which are housed in the body 2, opposed to each other, double-chambered cylinders 3 with a diamond-coated inner surface. Covering the cylinder walls with a diamond coating is a well-known method of making them resistant to high temperatures occurring during the combustion of hydrogen fuel. From the outside, the cylinders 3 are closed with a head 4, while in the place of their union with the body 2, they are closed with a partition 5 with a linear slide bearing of the partition 6, through which a pusher rod 7 is led to the body 2. Each of the pistons 1 consists of the upper half of the piston 1a and, separated from it by a spiral compensation spring 1b, the lower half of the piston 1c. The upper half of the piston 1a and the lower half of the piston 1c are slidably placed on the follower rod 7 by means of the upper piston slide bearing 1d and the lower piston slide bearing 1e embedded therein. Moreover, on the push rod 7, fixed on it and adjacent to the external surfaces of the upper half of the piston 1a and the lower half of the piston 1c, there are an upper stop 1f and a lower stop 1g respectively. In the middle of the walls of the cylinders 3 there are inlet ducts 8, to which scavenge air is fed from the output of fans 9, and exhaust ducts 10, which serve to discharge scavenge air together with combustion products through exhaust pipes 11. In the head 4 of each cylinder 3 and in its partition 5 houses a fuel injector 12, a steam injector 13 and an ignition element 14. The pistons 1 located in each pair of cylinders 3 are coupled with each other by means of a split crankshaft 15 located in the body 2. The crankshaft 15 consists of the first half crankshaft 15a and the second half crankshaft 15b, which are located opposite each other along their common axis of rotation and are connected to each other in opposite rotation around this axis by means of a spacer bearing 16. The coupling function of the crankshaft 15 with respect to each pair of pistons 1 is performed is using two identical pairs of connecting rods, consists emanating from the first connecting rod 17a and the second connecting rod 17b. The first connecting rod 17a and the second connecting rod 17b of one pair are each connected at one end eccentrically to the first half crankshaft 15a and the second half crankshaft 15b, respectively. The other ends of this pair of connecting rods 17a and 17b are pivotally connected to one of the two transverse shafts 18, each of which is rigidly connected via a push rod 7 perpendicular to it to one of the two pistons 1 located in opposite cylinders 3 of the pair. From the first crankshaft 15a and the second crankshaft 15b, the first output shaft 19a and the second output shaft 19b, respectively, are connected via a first clutch 20a and a second clutch 20b to the first rotor system 21a and the second rotor system 21b.

W wariancie wykonania wynalazku pierwszy system wirnikowy 21 a oraz taki sam drugi system wirnikowy 21b stanowią pojedyncze wielopłatowe wirniki 22, które zamocowane są na wałkach odbiorczych 23 odpowiednio pierwszego sprzęgła 20a oraz drugiego sprzęgła 20b.In an embodiment of the invention, the first rotor system 21a and the same second rotor system 21b are single multi-lobe rotors 22 which are mounted on the take-up shafts 23 of the first clutch 20a and the second clutch 20b, respectively.

W innym wariancie wykonania pierwszy system wirnikowy 22a oraz taki sam drugi system wirnikowy 22b stanowią dwie pary wielopłatowych wirników 22. Wałki napędowe 24 tych wirników połączone są z osadzonymi na wałkach odbiorczych 23 pierwszego sprzęgła 20a oraz drugiego sprzęgła 20b za pośrednictwem odpowiednio pierwszego pasa transmisyjnego 25a oraz drugiego pasa transmisyjnego 25b. Końce płatów każdego wirnika 22 zamocowane są w kołowej obręczy rotora 26, która umiejscowiona jest centrycznie w kołowej obręczy statora 27, przy zachowaniu minimalnej odległości między nimi, umożliwiającej swobodny ruch obrotowy obręczy rotora 26. W każdej obręczy rotora 26 umieszIn another embodiment, the first rotor system 22a and the same second rotor system 22b are two pairs of multi-lobe rotors 22. The drive shafts 24 of these rotors are connected to the output shafts 23 of the first clutch 20a and the second clutch 20b via the first transmission belt 25a and a second conveyor belt 25b. The ends of the lobes of each rotor 22 are fixed in the circular rim of the rotor 26, which is located centrally in the circular rim of the stator 27, maintaining the minimum distance between them, enabling the free rotation of the rotor rim 26. In each rim of the rotor 26 there are

PL 241 455 B1 czone są równomiernie wzdłuż jego obwodu dipole magnetyczne 28 w postaci magnesów neodymowych, natomiast w obręczy każdego statora 27 umieszczone są równomiernie wzdłuż jego obwodu cewki indukcyjne 29. Wszystkie cewki indukcyjne 29 każdej obręczy statora 27 przyłączone są odpowiednio do swoich indywidualnych układów komutacyjnych 30, a te z kolei połączone są ze wspólnym zespołem gromadzenia i oddawania energii elektrycznej 31, przy czym układy komutacyjne 30 oraz zespół gromadzenia i oddawania energii elektrycznej 31 przyłączone są do zespołu sterującego 32. Tworzy to razem, związany z wirnikami 22, zespół maszyn elektrycznych, które pełnią, w zależności od potrzeby, funkcję dodatkowych silników napędowych wirników 22 albo prądnic do gromadzenia zapasu energii w czasie lotu.PL 241 455 B1 magnetic dipoles 28 in the form of neodymium magnets are evenly connected along its periphery, while in the rim of each stator 27 inductors 29 are placed evenly along its circumference. All inductors 29 of each stator rim 27 are connected to their individual commutation systems, respectively 30, and these, in turn, are connected to a common unit for collecting and discharging electric energy 31, while the commutation systems 30 and the unit for collecting and discharging electric energy 31 are connected to the control unit 32. Together, they form a set of electric machines connected with the rotors 22 which function, depending on the need, as additional motors driving the rotors 22 or generators for storing energy during the flight.

Działanie silnika w jego poszczególnych fazach pracy jest identyczne w odniesieniu do obydwu przeciwległych tłoków, przy czym ich cykle pracy przesunięte są w fazie o kąt 180°. Stąd też wystarczające jest omówienie pracy jednego tylko zespołu cylindra 3 z przyporządkowanym mu tłokiem 1 w powiązaniu z pozostałymi współpracującymi podzespołami silnika. Sprężone paliwo wodorowe dostarczone zostaje do przestrzeni cylindra 3 nad tłokiem 1, stanowiącej górną komorę spalania, za pomocą wtryskiwacza paliwa 12. W pozycji GMP tłoka 1 odbywa się zapłon paliwa od iskry świecy zapłonowej. W chwili osiągnięcia w górnej komorze spalania najwyższej temperatury około 7000°C następuje wtrysk pary wodnej za pomocą wtryskiwacza pary wodnej 13, co doprowadza do schłodzenia komory spalania do około 3500°C, przy równoczesnym rozłożeniu pary wodnej na tlen i wodór. Pojawienie się w komorze spalania dodatkowej porcji uzyskanego w ten sposób paliwa powoduje jego samozapłon, wtórną eksplozję i gwałtowny przyrost ciśnienia w przestrzeni komory cylindra 3. Następuje wymuszony suw tłoka 1 w kierunku przegrody 5, przy czym skokowy wzrost parcia gazów spalinowych na górną połówkę tłoka 1a łagodzony jest dzięki sile sprężystości sprężyny kompensacyjnej 1b, która wsparta jest na, zablokowanej przez dolny ogranicznik 1g, dolnej połówce tłoka 1c, oraz dodatkowo dzięki utworzonej poduszcze powietrznej między górną połówką tłoka 1a, a dolną połówką tłoka 1c. Siła oddziałująca na dolną połówkę tłoka 1c przenoszona jest za pośrednictwem tego ogranicznika na drążek popychacza 7, powodując jego ruch w kierunku przegrody 5. W chwili znalezienia się środka tłoka 1 w osi kanału wlotowego 8 oraz kanału wylotowego 10, pomiędzy górną połówką tłoka 1a, a dolną połówką tłoka 1c zachowany zostaje minimalny dystans, który określony jest grubością ściśniętej sprężyny kompensacyjnej 1b. Zostaje wówczas utworzona wolna przestrzeń wewnątrz tłoka 1 pomiędzy oboma jego połówkami, która umożliwia schłodzenie wewnętrznych powierzchni górnej połówki tłoka 1a oraz dolnej połówki tłoka 1c za pomocą sprężonego powietrza przepłukującego, dostarczanego do kanału wlotowego 8 z wentylatora 9. W trakcie dalszego ruchu tłoka 1 połączona zostaje górna komora spalania cylindra 3 z kanałem wlotowym 8 oraz kanałem wylotowym 10, na skutek czego następuje wypłukanie z tej komory znajdujących się tam produktów spalania i schłodzenie zewnętrznej powierzchni górnej połówki tłoka 1a oraz ścianki cylindra 3 górnej komory spalania. Sprężone powietrze do obmywania i przepłukiwania komór cylindra 3 podawane jest z przyłączonego do kanału wlotowego 8 wentylatora 9. Ponadto, w tej fazie pracy silnika, do przestrzeni cylindra 3 pod tłokiem 1, stanowiącej dolną komorę spalania, dostarczane jest paliwo z dolnego wtryskiwacza paliwa 12, które podlega sprężeniu w ciągu dalszego ruchu tłoka 1 w dół, w kierunku przegrody 5. Po dojściu tłoka 1 w pobliże DMP odbywa się zapłon dostarczonego tam paliwa od iskry dolnej świecy zapłonowej oraz powtórzony zostaje wyżej opisany proces dostarczenia pary wodnej do dolnej komory spalania przy pomocy wtryskiwacza pary wodnej 13, jej rozłożenia na tlen i wodór oraz spalania tak powstałego paliwa oraz suw pracy tłoka 1 w górę w kierunku głowicy 4. Gwałtowny wzrost parcia gazów spalinowych na dolną połówkę tłoka 1c złagodzony jest, podobnie jak w przypadku górnej połówki tłoka 1a, dzięki sile sprężystości sprężyny kompensacyjnej 1b, wspartej na zablokowanej górnej połówce tłoka 1a, oraz dodatkowo dzięki utworzonej poduszce powietrznej między górną połówką tłoka 1a oraz dolną połówką tłoka 1c. Siła oddziałująca na górną połówkę tłoka 1a przenoszona jest za pośrednictwem górnego ogranicznika 1f na drążek popychacza 7, powodując jego ruch w kierunku głowicy 4. W chwili znalezienia się środka tłoka 1 w osi kanału wlotowego 8 oraz kanału wylotowego 10, podobnie jak przy ruchu tłoka 1 w dół, odbywa się schładzanie wewnętrznych powierzchni górnej połówki tłoka 1a oraz dolnej połówki tłoka 1c za pomocą sprężonego powietrza dostarczanego do kanału wlotowego 8. W trakcie dalszego ruchu tłoka 1 połączona zostaje dolna komora spalania cylindra 3 z kanałem wlotowym 8 oraz kanałem wylotowym 10, na skutek czego następuje wypłukanie z tej komory strumieniem sprężonego powietrza znajdujących się tam produktów spalania oraz schłodzenie zewnętrznej powierzchni dolnej połówki tłoka 1a oraz ścianki cylindra 3 górnej komory spalania. Zakończony zostaje wówczas pełny cykl jednego taktu pracy, w czasie którego odbywa się liniowy nawrotny posuw drążka popychacza 7. Dolny koniec drążka popychacza 7 wprowadzony jestThe operation of the engine in its individual operating phases is identical for both opposing pistons, with their operating cycles shifted in phase by an angle of 180°. Therefore, it is sufficient to discuss the operation of only one cylinder assembly 3 with the piston 1 assigned to it in connection with the other cooperating components of the engine. Compressed hydrogen fuel is supplied to the space of the cylinder 3 above the piston 1, which is the upper combustion chamber, by means of the fuel injector 12. In the TDC position of the piston 1, the fuel is ignited by the spark plug spark. When the upper combustion chamber reaches the highest temperature of about 7,000°C, steam is injected using the steam injector 13, which cools the combustion chamber to about 3,500°C, with the simultaneous decomposition of water vapor into oxygen and hydrogen. The appearance of an additional portion of fuel obtained in this way in the combustion chamber causes its self-ignition, secondary explosion and a rapid increase in pressure in the space of the cylinder chamber 3. There is a forced stroke of the piston 1 towards the partition 5, with a step increase in the pressure of exhaust gases on the upper half of the piston 1a it is mitigated by the elastic force of the compensating spring 1b, which is supported on the lower half of the piston 1c, blocked by the lower stop 1g, and additionally thanks to the created air cushion between the upper half of the piston 1a and the lower half of the piston 1c. The force acting on the lower half of the piston 1c is transferred through this limiter to the pusher rod 7, causing its movement towards the partition 5. When the center of the piston 1 is located in the axis of the inlet channel 8 and the outlet channel 10, between the upper half of the piston 1a and the lower half of the piston 1c maintains the minimum distance, which is determined by the thickness of the compressed compensating spring 1b. Then, a free space is created inside the piston 1 between its two halves, which allows cooling of the inner surfaces of the upper half of the piston 1a and the lower half of the piston 1c by means of compressed flushing air supplied to the inlet duct 8 from the fan 9. During further movement of the piston 1, the the upper combustion chamber of the cylinder 3 with an inlet duct 8 and an outlet duct 10, as a result of which the combustion products contained therein are washed out of this chamber and the outer surface of the upper half of the piston 1a and the cylinder wall 3 of the upper combustion chamber are cooled. Compressed air for washing and rinsing the cylinder chambers 3 is supplied from the fan 9 connected to the inlet duct 8. Moreover, in this phase of engine operation, fuel is supplied to the space of the cylinder 3 under the piston 1, which is the lower combustion chamber, from the lower fuel injector 12, which is compressed during the further movement of the piston 1 downwards, towards the partition 5. After the piston 1 reaches the BDC, the fuel delivered there is ignited by the spark of the lower spark plug and the above-described process of supplying water vapor to the lower combustion chamber by means of steam injector 13, its decomposition into oxygen and hydrogen and combustion of the resulting fuel, and the working stroke of the piston 1 upwards towards the head 4. The rapid increase in the pressure of exhaust gases on the lower half of the piston 1c is mitigated, similarly as in the case of the upper half of the piston 1a, due to the elastic force of the compensating spring 1b supported by the locked upper half of the piston 1a, and to additionally due to the air cushion formed between the upper piston half 1a and the lower piston half 1c. The force acting on the upper half of the piston 1a is transferred through the upper stop 1f to the pusher rod 7, causing its movement towards the head 4. When the center of the piston 1 is located in the axis of the inlet channel 8 and the outlet channel 10, similarly to the movement of the piston 1 downwards, the inner surfaces of the upper half of the piston 1a and the lower half of the piston 1c are cooled by means of compressed air supplied to the inlet duct 8. During further movement of the piston 1, the lower combustion chamber of the cylinder 3 is connected with the inlet duct 8 and the outlet duct 10, on as a result, the combustion products contained therein are flushed out of this chamber with a jet of compressed air and the outer surface of the lower half of the piston 1a and the cylinder wall 3 of the upper combustion chamber are cooled. Then, a full cycle of one work cycle is completed, during which a linear reverse feed of the pusher rod 7 takes place. The lower end of the pusher rod 7 is inserted

Claims

PL 241 455 B1 to the body 2 through the sealed sliding bearing of the partition 6 located in the partition 5. Pusher rods 7 led out from the pair of opposite cylinders 3, through the pairs of the first connecting rod 17a and the second connecting rod 17b connected to them, set in counter-rotating motion, together forming a shaft a crankshaft 15, a first crankshaft 15a and a second crankshaft 15b. This motion is transmitted via oppositely directed counter-rotating first output shafts 19a and second output shafts 19b to the inputs of the first clutch 20a and second clutch 20b, which transmit counter-rotating drive to the first rotor system 21a and to the second rotor system 21b.

In an embodiment of the invention, the drive is transmitted directly to single multi-lobe rotors 22, mounted on the take-up shafts 23 of the first clutch 20a and the second clutch 20b.

In another embodiment, the drive is transmitted to the two pairs of multi-lobe rotors 22 through the drive shafts 24 of these rotors and via the first transmission belt 25a and the second transmission belt 25b. The use of multi-lobe rotors 22 results primarily from the need to connect them with the rotor rim 26 in multiple points, which is intended to stiffen the entire rotor structure.

The lobes of each rotor 22 set in motion rotate together with the rotor rim 26 fixed on their edges, containing a series of equally oriented magnetic dipoles 28, and exert their magnetic field on the induction coils 29 placed in the stator rim 27. The system of electric machines created in this way can , depending on the current need, generate electric current, transferred through the commutation system 30 to the energy storage and return unit 31, and recharge the auxiliary batteries (not shown in the drawing), or it may be a set of electric motors supporting the internal combustion drive, using the accumulated electric energy, including as a starting system for an internal combustion engine. The presented support of the internal combustion engine with the use of a system of electric machines associated with the rotors 22 makes it possible, in the event of a failure of the main internal combustion engine drive of the helicopter in which the invention is applied, to perform a safe, gentle landing of the helicopter based on the additional electric drive of the rotors 22. associated with the rotors 22, allows the exchange of energy between these propulsion systems and the optimization of fuel consumption.

Patent claims

1. A hybrid power unit with an internal combustion engine, in particular for hydrogen fuel, containing, coupled with auxiliary electric machines, a single-stroke counter-rotating internal combustion engine, which is located in two-chamber cylinders with a diamond-coated inner surface, integrated with the body and oppositely directed to each other, a pair of double-sided reciprocating pistons, where from the outside the cylinders are closed with a head, while in the place of their union with the body, the cylinders are closed with a partition, having in the middle a linear sliding bearing of the partition, through which a pusher rod is led to the body, besides, in the middle of the cylinder walls there are scavenging air inlet ducts connected to the fans and combustion products outlet ducts with scavenging air connected to the exhaust systems, while in the head of each cylinder and in its lower bulkhead there are there are no fuel injector, steam injector and ignition element, moreover, the pistons located in each pair of cylinders are coupled with each other by means of a split crankshaft located in the body, characterized in that each of the pistons (1) is composed of the upper half of the piston ( 1a) and, separated from it by a spiral spring (1b), the lower half of the piston (1c), whereby the upper half of the piston (1a) and the lower half of the piston (1c) are movably placed on the pusher rod (7) by means of respectively embedded upper sliding bearing of the piston (1d) and lower sliding bearing of the piston (1e), moreover, on the pusher rod (7) there are, fixed on it and adjacent to the external surfaces of the upper half of the piston (1a) and the lower half of the piston (1c), the stopper (1f) and the lower stopper (1g).

PL 241 455 B1

2. The assembly according to claim The first output shaft (19a) and the second output shaft (19b) originating from the split crankshaft (15) and oppositely directed, are connected via the first clutch (20a) and the second clutch (20b) respectively to the first impeller system, respectively. (21a) and the second impeller system (21b).

3. The assembly according to claim 2, characterized in that the first rotor system (21a) and preferably the same second rotor system (21b) are single, preferably multi-bladed rotors (22), which are mounted on the receiving shafts (23) of the first clutch (20a) and the second clutch, respectively ( 20b).

4. The assembly according to claim 2, characterized in that the first rotor system (21a) and preferably the same second rotor system (21b) consist of at least two pairs of preferably multi-lobe rotors (22), whose drive shafts (24) are connected to the respective receiving shafts (23) ) of the first clutch (20a) and the second clutch (20b) with drive adapters via preferably the first transmission belt (25a) and the second transmission belt (25b).

5. The assembly according to claim 3 or 4, characterized in that the ends of the blades of each rotor (22) are fixed in the circular rotor rim (26), which is located centrally in the circular stator rim (27), while maintaining a minimum distance between them, enabling free rotation of the rotor rim (26), wherein in each rotor rim (26) magnetic dipoles (28) are placed along its circumference in the form of preferably neodymium magnets, while in each stator rim (27) induction coils (29) are placed along its circumference, which together forms a set of electric machines connected with the rotors (22), besides all the induction coils (29) of one stator rim (27) are respectively connected to their individual commutation systems (30), and these in turn are preferably connected to a common assembly and discharge electric energy (31), the commutation systems (30) and the electric energy collection and delivery unit (31) being connected to the control unit (32).

List of designations

3a

3b

3c

3d

3e

3f

3g body cylinder piston upper half of the piston compensating spring lower half of the piston upper slide bearing of the piston lower slide bearing of the piston upper stop lower stop pusher rod compressed air inlet channel combustion products outlet channel head baffle fuel injector steam injector ignition element slide bearing baffle steam pipe device steam dispensing exhaust pipe steam generator thermocouple generator turbine fan supporting the main fan

PL 241 455 B1

21 battery

22 HHO generator

23 ionizer

24 gas connector

25 compressor

26 fuel dispenser

27 fuel injector

28 crankshaft

29a the first crankshaft

29b second crankshaft

30 spacer bearing

31a first connecting rod

31b second connecting rod

32 transverse roller

33a the first output shaft

33b a second output shaft

34a first clutch

34b second clutch

35a the first rotor system

35b the second rotor system

36 impeller

36a rotor blade

37 pick-up roller

38 drive shaft

39a the first conveyor belt

39b second conveyor belt

40 rotor rim

41 stator rim

42 magnetic dipole

43 induction coil

44 commutation system

45 electric energy collection and delivery unit

46 control and monitoring unit