RU2078943C1

RU2078943C1 - Axial engine

Info

Publication number: RU2078943C1
Application number: RU94013568A
Authority: RU
Inventors: Юрий Александрович Шурыгин
Original assignee: Юрий Александрович Шурыгин
Priority date: 1994-04-15
Filing date: 1994-04-15
Publication date: 1997-05-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; designing of piston axial engines. SUBSTANCE: engine has cylinder with ceramic liners in which two pistons are fitted being rigidly coupled by gear rack. Rack is in meshing with two gears which transmit torque to power takeoff shafts through overrunning clutches and power takeoff shafts, in their turn, transmit torque to output shaft gear. Cylinder has channels to deliver air into engine by means of turbocompressor, and exhaust gas valves, fuel and water nozzles and cylinder pressure transmitters. Engine is closed at two sides by covers with inner heat insulating coating. Working side of each piston has heat insulating coating over which porous coating is applied material of which features high thermal conductivity and heat capacity. Piston position transmitter and piston movement speed transmitter are mounted on extreme side surface of cylinders. Engine has electronic unit which controls injection of fuel and water by signals from transmitters. EFFECT: enlarged operating capabilities. 7 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, касается усовершенствования поршневых бесшатунных двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано на транспорте. The invention relates to mechanical engineering, relates to the improvement of piston rodless internal combustion engines and can be used in transport.

Известен бесшатунный двигатель, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр, закрытый с обеих сторон крышками с уплотнительными элементами и имеющий две камеры сгорания, размещенный в цилиндре поршень двухстороннего действия с уплотнительными элементами, внутри которого на выходном валу, проходящем через него и пазы в цилиндре, установлены две муфты свободного хода, щеки которых через отверстия в боковинах поршня введены в вырезы цилиндра, где скреплены пальцами, каналы для подачи воздуха или горючей смеси и каналы для выпуска отработанных газов (SU, авторское свидетельство N1038487, кл.6 F 01 B 9/08, 1983). Known rodless engine containing at least one cylinder, closed on both sides with caps with sealing elements and having two combustion chambers, a double-acting piston with sealing elements located in the cylinder, inside of which on the output shaft passing through it and grooves in the cylinder two freewheel couplings are installed, the cheeks of which are inserted into the cylinder cut-outs through the holes in the piston sides where they are fastened with fingers, the channels for supplying air or a combustible mixture and the channels for exhausting are worked out x gases (SU, copyright certificate N1038487, cl. 6 F 01 B 9/08, 1983).

Двигатель имеет следующие недостатки. The engine has the following disadvantages.

Работает по двухтактному циклу с прямоточной продувкой, что определяет низкую экономичность, имеет большое число уплотнений, муфты находятся в горячей зоне и ограничены в размерах поршнем, за один рабочий ход вал двигателя поворачивается на небольшой угол, имеет потери на боковое трение поршня в цилиндре, давление в цилиндре резко снижается в течение рабочего хода. It operates on a two-stroke cycle with straight-through purge, which determines low efficiency, has a large number of seals, couplings are in the hot zone and limited in size by the piston, the motor shaft rotates a small angle in one working stroke, it has losses due to lateral friction of the piston in the cylinder, pressure in the cylinder decreases sharply during the stroke.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются: уменьшение потерь на трение в двигателе, повышение его экономичности, обеспечение высокого крутящего момента в широком диапазоне изменения скорости вращения вала двигателя, увеличение удельной мощности. Для решения этих задач предлагается выполнить двигатель с реечно-шестеренчатым преобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное и системой управления давлением в цилиндрах, скоростью движения поршня и т.д. на основании этих данных управляющей процессами, протекающими в цилиндрах двигателя. The tasks to which the invention is directed are: reducing friction losses in the engine, increasing its efficiency, providing high torque in a wide range of changes in the speed of rotation of the motor shaft, increasing specific power. To solve these problems, it is proposed to perform an engine with a rack-and-pinion converter of reciprocating motion into rotational motion and a control system for pressure in the cylinders, piston speed, etc. on the basis of these data governing the processes occurring in the cylinders of the engine.

Изобретение поясняется чертежом. The invention is illustrated in the drawing.

Двигатель содержит цилиндр 1 с керамическими гильзами 2, закрытый с двух сторон крышками 3 с теплоизолирующим покрытием 4. Внутри цилиндра 1 находятся двухсторонний поршень 5 с уплотнительными элементами 6. Рабочие стороны поршня имеют теплоизолирующее покрытие 7, поверх которого находится пористое покрытие 8 из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью. The engine contains a cylinder 1 with ceramic sleeves 2, closed on both sides with caps 3 with a heat-insulating coating 4. Inside the cylinder 1 are a double-sided piston 5 with sealing elements 6. The working sides of the piston have a heat-insulating coating 7, on top of which there is a porous coating 8 of material with high thermal conductivity and heat capacity.

Поршень снабжен зубчатой рейкой 9, находящейся в зацеплении с шестернями 10, передающими вращение валам 11 отбора мощности с помощью муфт свободного хода, состоящих из роликов 12, подпружиненных пружинами 13. Каждый вал отбора мощности передает свое вращение посредством шестерни 14 шестерне 15 выходного вала 16 двигателя. The piston is equipped with a gear rack 9, which is meshed with gears 10 transmitting rotation to the power take-off shafts 11 using freewheels consisting of rollers 12, spring-loaded with springs 13. Each power take-off shaft transmits its rotation via gear 14 to gear 15 of the output shaft 16 of the engine .

Воздух в двигателе подается по каналам 17, а отработанные газы через клапаны 18 выходят наружу. Кроме клапанов 18 в каждой крышке 3 имеется топливная форсунка 19, форсунка впрыска воды 20 и датчик 21 давления в цилиндре двигателя. На боковой стенке цилиндра 1 расположены датчики 22 положения поршня в цилиндре, управляющие моментом впрыска топлива, а датчик 23 скорости давления поршня в цилиндре, управляющий длительностью впрыска топлива и воды, расположен возле зубчатой рейки 9. Двигатель рассчитан на работу с турбонаддувом, поэтому отходящие через клапан 18 отработанные газы подаются на турбину, вращающую компрессор наддува, который, подавая воздух через каналы 17 под избыточным давлением, осуществляет продольную клапанно-щелевую продувку цилиндров двигателя, которая несмотря на большую сложность обеспечивает более высокое качество продувки, чем прямоточная щелевая и увеличивает мощность и экономичность двигателя. Air in the engine is supplied through channels 17, and the exhaust gases through the valves 18 exit. In addition to the valves 18, each cap 3 has a fuel nozzle 19, a water injection nozzle 20, and a pressure sensor 21 in the engine cylinder. Sensors 22 of the piston in the cylinder are located on the side wall of cylinder 1, which control the moment of fuel injection, and a piston pressure sensor 23 in the cylinder, which controls the duration of fuel and water injection, is located near the gear rack 9. The engine is designed to work with turbocharging, therefore, they leave through valve 18, the exhaust gases are fed to a turbine rotating a boost compressor, which, by supplying air through channels 17 under excessive pressure, performs longitudinal valve-slotted purging of the engine cylinders, I spite of the great complexity provides higher quality purge than once-through slit and increases power and engine efficiency.

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

Пусковым устройством (условно не показано) резко переводят поршень 5 в цилиндре 1 из одного крайнего положения в другое. При этом воздух, находящийся в цилиндре, сожмется и сильно нагреется. Когда уплотнительный элемент 6 поршня 5 пересечет линию датчика 22 положения поршня в цилиндре, он выдаст сигнал на впрыск топлива форсунке 19. Впрыснутое топливо воспламеняется, давление в цилиндре растет и поршень 5 движется в противоположную сторону. В своем конце рабочего хода, перед открытием впускных каналов 17, открывается клапан 18 и отработанные газы выходят из цилиндра, поступая на турбину компрессора. Чуть позже каналы 17 открываются и воздух, подаваемый компрессором, продувает цилиндр. Клапан 18 закрывается, а в это время поршень достигает в противоположной стороне положения, когда форсунка впрыскивает топливо, и цикл повторяется. Для обеспечения высокого крутящего момента работой двигателя управляет электронный блок, получающий информацию от датчиков о положении поршня в цилиндре, скорости движения его, давлении в цилиндре во время рабочего хода и сжатия. Мощность двигателя изменяют подачей на один их входов электронного блока опорного сигнала. На остальные его входы подают сигналы от датчиков 21 давления в цилиндре, датчиков 22 положения поршня в цилиндре, датчика 23 скорости движения поршня в цилиндре. По сигналам датчиков 22 электронный блок управляет моментом впрыска топлива форсунками 19, сигнал датчика 23 управляет опережением впрыска топлива, длительностью впрыска топлива и воды, а сигналы датчиков 21 определяют количество топлива и воды, впрыснутых форсунками 19 и 20 за один рабочий ход поршня. Чем выше скорость движения поршня в цилиндре, тем меньше задержка начала впрыска топлива форсункой 19 после получения электронным блоком сигнала на впрыск от датчика 22, и наоборот, что позволяет поддерживать степень сжатия двигателя постоянной и делает его работу более мягкой. Одновременно изменяется и длительность впрыска топлива и воды. Т.к. с ростом скорости движения поршня в цилиндре увеличивается во второй степени запасаемая ими и всеми движущимися деталями двигателя кинетическая энергия, электронный блок учитывает это, осуществляя впрыск топлива и воды не только меньший период времени, соответственно увеличению скорости движения поршня в цилиндре, но и в течение меньшего пути, проходимого поршнем за рабочий ход. Если при низкой скорости движения поршня в цилиндре впрыск топлива и воды заканчивается при прохождении поршнем почти всего рабочего хода и по инерции поршень почти не движется, то с увеличением скорости его движения увеличивается и путь, проходимый им по инерции, т.к. расширяющиеся газы очень быстро теряют давление, а впрыск топлива и воды заканчивается раньше относительно проходимой поршнем части рабочего хода. Электронный блок сравнивает сигнал от датчика скорости движения поршня в цилиндре 23, умноженный на разность сигналов датчиков 21 давления в цилиндре, с опорным сигналом. Датчик 23 непрерывно посылает информацию о скорости движения поршней в электронный блок, который на основе этих данных устанавливает момент опережения впрыска топлива и длительность впрыска топлива форсункой 19, когда датчик положения поршня в цилиндре 22 подаст сигнал на впрыск топлива и длительность впрыска воды форсункой 20, после отсечки впрыска топлива. Впрыскиваемое топливо воспламеняется, давление в цилиндре растет, датчик давления в цилиндре 21 подаст сигнал в электронный блок, который вычтет из него сигнал датчика 21 противоположной части цилиндра, где в это время идет продувка, и умножит на сигнал датчика скорости движения поршня в цилиндре 23. Когда произведение сигналов этих датчиков сравняется с опорным сигналом, электронный блок уменьшит количество топлива, впрыскиваемого форсункой 19. Но под давлением горячих газов поршень перемещается в противоположную сторону и сжимает там воздух, что ведет к резкому росту давления, и датчик 21 этой стороны цилиндра вычтет больший сигнал из сигнала датчика 21 в части цилиндра, где осуществляется рабочий ход, их производная становится меньше опорного сигнала, и электронный блок вновь увеличит количество топлива, впрыскиваемого форсункой 19. По достижении заданной длительности впрыска топлива происходит отсечка и давление в цилиндре падает, но форсунка 20 впрыска воды по сигналу электронного блока начинает впрыскивать воду, которая, испаряясь на пористом покрытии 8 поршня, вновь поднимает давление в цилиндре, которое регулируется количеством впрыскиваемой воды. Отсечка впрыска воды происходит, когда заданная длительность впрыска достигнута. При небольшой скорости движения поршня в цилиндре это происходит непосредственно перед открытием клапана 18 для выпуска. Отработанные газы вращают турбину компрессора, нагнетающего воздух через впускные каналы 17. При увеличении нагрузки на двигатель без увеличения опорного сигнала скорость движения поршня 5 в цилиндре уменьшится, датчик 23 скорости движения поршней в цилиндре подаст соответствующий сигнал в электронный блок, который увеличит и время впрыска топлива и воды и их количество, т.к. сигнал датчика 23 уменьшится, соответственно уменьшится и производная сигнала датчика 23 с разницей сигналов датчиков 21 давления, поэтому электронный блок увеличит давление в цилиндре, увеличив подачу топлива и воды, что увеличит крутящий момент двигателя. При этом электронный блок устроен так, что не может подать топлива больше, чем возможно по условиям полного сгорания. Благодаря электронному блоку и впрыску воды двигатель имеет восходящую характеристику крутящего момента, занимая промежуточное положение между паровой машиной и дизельным двигателем. Двигатель может работать при 150-200 тактах в минуту и меньше. С увеличением нагрузки его обороты падают, растет крутящий момент и наоборот. Двигатель может использоваться для приведения в движение транспортных средств без коробки передач. Для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное выходного вала с минимальными потерями на трение использован реечно-шестеренчатый механизм с муфтами свободного хода. При движении поршня 5 из одного крайнего положения в другое, зубчатая рейка 9, находящаяся в постоянном зацеплении с шестернями 10, также движется и заставляет вращаться эти шестерни в разные стороны относительно друг друга. Шестерни 10 сидят на валах 11 отбора мощности и благодаря муфтам при вращении в одну сторону передают им вращение, а в другую проскальзывают. Например, поршень движется влево. При этом верхняя (по чертежу) шестерня 10 вращается по часовой стрелке, ролик 12, подпружиненный пружиной 13, заклинит вал 11 отбора мощности относительно шестерни 10 и повернет на некоторый угол. Нижняя шестерня 10 при этом вращается против часовой стрелки, ее ролики 12 отжимают пружину 13, и проскальзывает относительно вала отбора мощности 11. При движении поршня 5 вправо верхняя шестерня 10 будет проскальзывать, а нижняя повернет свой вал отбора мощности. Каждый вал отбора мощности имеет шестерню 14 и обе они находятся в зацеплении с шестерней 15 выходного вала 16 двигателя таким образом, что при движении поршней влево выходной вал двигателя вращает один вал отбора мощности, а вправо другой, причем в одну сторону, что обеспечивает непрерывное и равномерное вращение выходного вала 16 двигателя. Применив зацепление с круговой линией зуба можно значительно повысить надежность данного механизма, уменьшить размеры шестерен. The trigger device (not shown conditionally) abruptly translate the piston 5 in the cylinder 1 from one extreme position to another. In this case, the air in the cylinder is compressed and heated very much. When the sealing element 6 of the piston 5 crosses the line of the piston position sensor 22 in the cylinder, it will give a signal for injecting fuel to the nozzle 19. The injected fuel ignites, the pressure in the cylinder rises and the piston 5 moves in the opposite direction. At its end of the stroke, before opening the inlet channels 17, the valve 18 opens and the exhaust gases exit the cylinder, entering the compressor turbine. A little later, the channels 17 open and the air supplied by the compressor blows through the cylinder. The valve 18 closes, and at this time, the piston reaches the opposite side when the nozzle injects fuel and the cycle repeats. To ensure high torque, the engine is controlled by an electronic unit that receives information from sensors about the position of the piston in the cylinder, its speed, pressure in the cylinder during the stroke and compression. Engine power is changed by applying one of the inputs of the electronic unit of the reference signal. The rest of its inputs provide signals from sensors 21 of the pressure in the cylinder, sensors 22 of the piston in the cylinder, sensor 23 of the speed of the piston in the cylinder. According to the signals of the sensors 22, the electronic unit controls the moment of fuel injection by the nozzles 19, the signal of the sensor 23 controls the advance of the fuel injection, the duration of the fuel and water injection, and the signals of the sensors 21 determine the amount of fuel and water injected by the nozzles 19 and 20 in one stroke of the piston. The higher the speed of the piston in the cylinder, the less the delay in the start of fuel injection by the nozzle 19 after the electronic unit receives the injection signal from the sensor 22, and vice versa, which allows to maintain the compression ratio of the engine constant and makes its operation softer. At the same time, the duration of the injection of fuel and water also changes. Because with an increase in the speed of the piston in the cylinder, the kinetic energy stored by them and all moving engine parts increases to a second degree, the electronic unit takes this into account, injecting fuel and water not only for a shorter period of time, correspondingly, increasing the speed of the piston in the cylinder, but also for a smaller the path traveled by the piston during the stroke. If at a low speed of the piston in the cylinder the injection of fuel and water ends when the piston passes almost the entire working stroke and the piston does not move due to inertia, then the path traveled by inertia increases with the speed of its movement, since expanding gases lose pressure very quickly, and the injection of fuel and water ends earlier relative to the part of the stroke that the piston passes through. The electronic unit compares the signal from the piston speed sensor in the cylinder 23, multiplied by the difference of the signals of the pressure sensors 21 in the cylinder, with the reference signal. The sensor 23 continuously sends information about the speed of the pistons to the electronic unit, which on the basis of these data sets the timing of the fuel injection ahead and the duration of the fuel injection by the nozzle 19, when the piston position sensor in the cylinder 22 sends a signal to the fuel injection and the duration of the water injection by the nozzle 20, after fuel injection shutoffs. The injected fuel ignites, the pressure in the cylinder increases, the pressure sensor in the cylinder 21 sends a signal to the electronic unit, which subtracts from it the signal of the sensor 21 of the opposite part of the cylinder, where the purge is in progress, and multiplies by the signal of the piston speed sensor in the cylinder 23. When the product of the signals of these sensors is equal to the reference signal, the electronic unit will reduce the amount of fuel injected by the nozzle 19. But under the pressure of hot gases, the piston moves in the opposite direction and compresses there u, which leads to a sharp increase in pressure, and the sensor 21 of this side of the cylinder will subtract the larger signal from the signal of the sensor 21 in the part of the cylinder where the stroke is carried out, their derivative becomes smaller than the reference signal, and the electronic unit will again increase the amount of fuel injected by the nozzle 19. Upon reaching the specified duration of the fuel injection, a cut-off occurs and the pressure in the cylinder drops, but the water injection nozzle 20, at the signal of the electronic unit, starts to inject water, which, evaporating on the porous coating 8 of the piston, again under imaet cylinder pressure, which is regulated by the amount of water injected. Water injection cut-off occurs when a predetermined injection duration is reached. At a low speed of movement of the piston in the cylinder, this occurs immediately before opening the valve 18 for release. The exhaust gases rotate the turbine of the compressor forcing air through the intake channels 17. If the engine load increases without increasing the reference signal, the piston 5 moves in the cylinder, the piston speed sensor 23 sends a corresponding signal to the electronic unit, which also increases the fuel injection time and water and their quantity, because the signal of the sensor 23 will decrease, and accordingly the derivative of the signal of the sensor 23 will decrease with the difference of the signals of the pressure sensors 21, so the electronic unit will increase the pressure in the cylinder, increasing the supply of fuel and water, which will increase the engine torque. In this case, the electronic unit is arranged so that it cannot supply more fuel than is possible under conditions of complete combustion. Thanks to the electronic unit and water injection, the engine has an upward torque characteristic, occupying an intermediate position between the steam engine and the diesel engine. The engine can run at 150-200 cycles per minute or less. As the load increases, its speed decreases, torque increases and vice versa. The engine can be used to drive vehicles without a gearbox. To convert the reciprocating motion of the piston into a rotational output shaft with minimal friction losses, a rack and pinion mechanism with freewheels was used. When the piston 5 moves from one extreme position to another, the gear rack 9, which is in constant engagement with the gears 10, also moves and makes these gears rotate in different directions relative to each other. Gears 10 sit on the shafts 11 of the power take-off and, thanks to the couplings, during rotation in one direction transmit rotation to them and slip in the other. For example, the piston moves to the left. In this case, the upper (according to the drawing) gear 10 rotates clockwise, the roller 12, spring-loaded with a spring 13, wedges the power take-off shaft 11 relative to gear 10 and rotates by a certain angle. The lower gear 10 rotates counterclockwise, its rollers 12 squeeze the spring 13, and slides relative to the power take-off shaft 11. When the piston 5 moves to the right, the upper gear 10 will slip and the lower one will rotate its power take-off shaft. Each power take-off shaft has a gear 14 and both of them are engaged with the gear 15 of the output shaft 16 of the engine in such a way that when the pistons move to the left, the output shaft of the engine rotates one power take-off shaft, and the other, to the right, one way, which ensures continuous and uniform rotation of the output shaft 16 of the engine. By applying engagement with the circular line of the tooth, it is possible to significantly increase the reliability of this mechanism and reduce the size of gears.

В описанной конструкции практически полностью отсутствует боковое давление на поршни, т.к. газы давят на поршни преимущественно вдоль их боковой линии. Использование керамических гильз и теплоизолирующих покрытий обеспечивает высокую рабочую температуру в цилиндре двигателя, что совместно с пористым покрытием рабочих сторон поршня позволяет впрыскивать и испарять большие количества воды, повышающей рабочее давление в цилиндре. Поршень может быть выполнен из керамики с закладными элементами крепления зубчатой рейки или алюминиевыми с покрытием из окиси алюминия. Зубчатая рейка имеет прямоугольное или круглое сечение, что обеспечивает высокую жесткость и малый вес, каждому валу отбора мощности могут передавать крутящий момент несколько параллельно работающих муфт, присоединенных к шестерням, что позволит увеличить крутящий момент, передаваемый ими. In the described construction, the lateral pressure on the pistons is almost completely absent, since gases press on the pistons mainly along their lateral line. The use of ceramic sleeves and heat-insulating coatings ensures a high working temperature in the engine cylinder, which, together with the porous coating of the working sides of the piston, allows large quantities of water to be injected and evaporated, which increases the working pressure in the cylinder. The piston can be made of ceramic with embedded elements of the gear rack fastening or aluminum coated with aluminum oxide. The gear rack has a rectangular or circular cross-section, which provides high rigidity and light weight, several parallel-coupled couplings connected to the gears can transmit torque to each power take-off shaft, which will increase the torque transmitted by them.

Claims

1. A rodless internal combustion engine comprising at least one cylinder, closed on both sides by caps with sealing elements and having two combustion chambers, a double-acting piston with sealing elements located in the cylinder, inside of which on the output shaft passing through it, and grooves in two freewheel clutches are installed on the cylinder, the cheeks of which are inserted into the cylinder cut-outs through openings in the piston sides, where the channels for supplying air or a combustible mixture and the channels for discharging exhaust gas, characterized in that the engine is equipped with an electronic unit and a piston speed sensor, the cylinder is equipped with a ceramic sleeve and piston position sensors located on the lateral surface of the latter, the caps are provided with a heat-insulating coating and valves for exhaust, fuel and water injection nozzles are placed in them and pressure sensors in the cylinder, the working sides of the piston are provided with a heat-insulating coating of a material with high thermal conductivity and heat capacity, and the piston is equipped with a gear rack, renewed with the formation of permanent engagement with at least two gears, each of which is connected via a freewheel to its own power take-off shaft, and the latter are connected to the output shaft gear, the piston speed sensor in the cylinder is installed near the rack and connected to the electronic unit together with the aforementioned sensors, with the formation of a fuel and water injection control system.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the device for supplying air to the combustion chambers contains a separate compressor communicated with the cylinder channels of the same name and driven by the energy of the exhaust gases.

3. The engine according to claims 1 and 2, characterized in that the piston is made of ceramics and fixed elements of the rail fastening are fixed in it.

4. The engine according to claims 1 to 3, characterized in that the freewheel is located on the side of the gears of the power take-off shafts.

5. The engine according to claims 1 to 4, characterized in that it is equipped with additional freewheels, and on each power take-off shaft there are several couplings connected in parallel.

6. The engine according to claims 1, 2, 4 and 5, characterized in that the piston is made of aluminum, and its coating of aluminum oxide.

7. The engine according to claims 1 to 6, characterized in that the gear rack with gears form an engagement with the circular line of the tooth.