RU2121586C1

RU2121586C1 - Two stroke axial engine

Info

Publication number: RU2121586C1
Application number: RU97107066A
Authority: RU
Inventors: Валерий Валентинович Квашенников
Original assignee: Валерий Валентинович Квашенников
Priority date: 1997-04-28
Filing date: 1997-04-28
Publication date: 1998-11-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: engine has housing with compression chambers, two opposite stepped cylinder groups connected by rods and cylinder of hydraulic pump and two working cylinders with scavenging and exhaust ports installed for reciprocating. Each cylinder accommodates fixed pistons with separated combustion chamber with fuel nozzle. Combustion chamber is made spherical with neck in form of de Laval nozzle. End faces of working cylinder are provided with bead dividing engine housing into scavenging and compression chambers forming piston pneumatic compressor. Spool of hydraulic pump is made in form of eccentric valve diaphragm providing transfer of working liquid to drive output hydraulic turbine. EFFECT: increased specific power, reliability and fuel economy of engine, provision of compact design. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания. The invention relates to mechanical engineering, in particular to engine building, and in particular to internal combustion engines.

Известен двухтактовый свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания [1] , содержащий симметрично расположенную с возможностью возвратно-поступательного движения ступенчатую поршневую группу с центральным поршнем, образующим с центральным цилиндром, имеющим органы газораспределения, ступень предварительного сжатия, и связанные с ним штоками, проходящими через соосные каналы в разделительных стенках, периферийные поршни, образующие симметричные камеры сгорания с периферийными цилиндрами, имеющими впускные окна, в котором симметричные камеры сгорания размещены между разделительными стенками и периферийными поршнями, органы газораспределения центрального цилиндра выполнены в виде всасывающих каналов, а соосные каналы - в виде полых цилиндров, размещенных между центральным цилиндром и камерами сгорания концентрично штокам, имеющим на участках, примыкающих к периферийным поршням ступенчатые клапаны, перекрывающие вход в полые цилиндры при положении поршней в верхней мертвой точке. Known two-stroke free piston internal combustion engine [1], containing a symmetrically arranged reciprocating step piston group with a central piston forming with a central cylinder having gas distribution bodies, a pre-compression stage and associated rods passing through coaxial channels into separation walls, peripheral pistons forming symmetrical combustion chambers with peripheral cylinders having inlet windows in which the symmetry The primary combustion chambers are located between the separation walls and the peripheral pistons, the gas distribution bodies of the central cylinder are made in the form of suction channels, and the coaxial channels are in the form of hollow cylinders located between the central cylinder and the combustion chambers concentrically to the rods, which have step valves on the areas adjacent to the peripheral pistons overlapping the entrance to the hollow cylinders with the position of the pistons at top dead center.

Недостатком известного двигателя является то, что охлаждаемый центральный шток блока поршня движется в газодинамическом потоке рабочих газов внутри камер сгорания, что приводит к энергетическим потерям и большим тепловым перегрузкам. A disadvantage of the known engine is that the cooled central piston rod rod moves in the gas-dynamic flow of working gases inside the combustion chambers, which leads to energy losses and large thermal overloads.

Известна поршневая машина [2] , содержащая корпус, цилиндр, поршень и размещенные в последнем выходной вал и передаточный механизм одностороннего действия, в котором поршень установлен неподвижно в корпусе, а цилиндр - с возможностью возвратно-поступательного перемещения, причем поршень и цилиндр снабжены пазами, выполненными на их цилиндрических поверхностях, передаточный механизм снабжен щеками с установленными на них пальцами, щеки размещены в пазах поршня, а пальцы - в пазах цилиндра с возможностью перемещения в них. Known piston machine [2], comprising a housing, a cylinder, a piston, and a single-acting output shaft and a transmission mechanism located in the latter, in which the piston is fixedly mounted in the housing and the cylinder is movable, the piston and cylinder being provided with grooves, made on their cylindrical surfaces, the transmission mechanism is equipped with cheeks with fingers mounted on them, the cheeks are placed in the grooves of the piston, and the fingers are in the grooves of the cylinder with the possibility of movement in them.

Недостатком известного устройства является то, что топливопровод связан со свободноподвижным цилиндром, что может вызвать неполадки в системе топливоподачи. Кроме того, механизм преобразования, включающий обгонные муфты, не отличается большой прочностью из-за того, что в процессе работы обгонные муфты опираются на точечную или осевую площади касания, что заставляет их работать в режимах, близких к пределу прочности, поэтому они не могут трансформировать значимые по величине мощности и моменты вращения. A disadvantage of the known device is that the fuel line is connected with a freely movable cylinder, which can cause malfunctions in the fuel supply system. In addition, the conversion mechanism, including overrunning clutches, is not very strong due to the fact that during operation the overrunning clutches rely on a point or axial contact area, which makes them work in modes close to the tensile strength, so they cannot transform significant power and moments of rotation.

Целью настоящего изобретения является повышение удельной мощности, надежности, топливной экономичности двигателя, а также обеспечение компактности его конструкции. The aim of the present invention is to increase the specific power, reliability, fuel efficiency of the engine, as well as ensuring the compactness of its design.

Предлагается двухтактный аксиальный двигатель, содержащий корпус с компрессионными камерами, две противолежащие ступенчатые цилиндровые группы, соединенные штоками и цилиндром гидронасосa, имеющие два рабочих цилиндра с продувочными и выпускными окнами, установленных с возможностью возвратно-поступательного движения, с размещенным в каждом из них неподвижным поршнем со сферической рабочей поверхностью, имеющим рубашки охлаждения и разделенную камеру сгорания с топливной форсункой и впускными клапанами, соединенную с рабочей камерой, причем разделенная камера сгорания выполнена сферической с горловиной в виде сопла Лаваля, а внутренняя поверхность днища каждого рабочего цилиндра спрофилирована под рабочую поверхность поршня и выполнена с насадкой, спрофилированной под сопло Лаваля, имеющей наружную коническую поверхность, сопряженную с внутренней поверхностью днища цилиндра с образованием овальной выемки, и внутреннюю осевую проточку, образующую полость охлаждения, причем торцы рабочего цилиндра выполнены с буртиком, разделяющим корпус двигателя на продувочную и компрессионную камеры, составляющие поршневой пневмокомпрессор и служащим для него пневмопоршнем, причем золотник гидронасоса в виде эксцентриковой клапанной мембраны с осью, установленной перед всасывающим патрубком на его осевой и с седлами, образованными противолежащими стенками всасывающего и нагнетающего патрубков, связанных через магистрали с гидротурбиной, а поршнями гидронасоса служат днища двух противолежащих рабочих цилиндров, при этом насадка выполнена со сквозными микроотверстиями диаметром до 1 мкм из химически чистого вольфрама, а буртик и цилиндрическая поверхность корпуса выполнена с пазами для размещения силовых обмоток вибратора запуска и обратимого линейного электрического генератора. A two-stroke axial engine is proposed, comprising a housing with compression chambers, two opposite stepped cylinder groups connected by rods and a hydraulic pump cylinder, having two working cylinders with purge and exhaust windows, mounted with the possibility of reciprocating movement, with a stationary piston with a spherical working surface having cooling jackets and a divided combustion chamber with a fuel nozzle and intake valves connected to the working chambers d, and the divided combustion chamber is made spherical with a neck in the form of a Laval nozzle, and the inner surface of the bottom of each working cylinder is profiled under the working surface of the piston and is made with a nozzle profiled under the Laval nozzle having an external conical surface mating with the inner surface of the cylinder bottom to form an oval recess, and an internal axial groove forming a cooling cavity, and the ends of the working cylinder are made with a shoulder separating the engine casing for purging and compression chambers that make up the piston pneumatic compressor and serving as a pneumatic piston for it, moreover, the hydraulic pump spool in the form of an eccentric valve membrane with an axis installed in front of the suction pipe on its axial and with saddles formed by the opposite walls of the suction and discharge pipes connected through the hydraulic mains and the pistons of the hydraulic pump are the bottoms of two opposing working cylinders, while the nozzle is made with through holes in diameter up to 1 μm from chemically grained tungsten and shoulder and the cylindrical surface of the housing is formed with slots to accommodate the power windings and the vibrator run reversible linear electric generator.

На чертеже изображен предлагаемый двухтактный аксиальный двигатель в разрезе. The drawing shows the proposed two-stroke axial engine in section.

Двигатель содержит корпус 1 с двумя противолежащими цилиндровыми группами, каждая из которых содержит компрессионную камеру 2 и камеру 3 продувочного воздуха, составляющие поршневой пневмокомпрессор. Через органы газораспределения в виде выпускных клапанов 4 и продувочных окон 5 эти камеры соединены с разделенной камерой 6 сгорания и топливной форсункой 7, причем камера 6 имеет горловину в виде сопла Лаваля 8 и рубашку охлаждения 9, размещенные в полости неподвижного со сферической рабочей поверхностью поршня 10, причем камера 6 сгорания расположена по осевой в центре днища поршня 10, к которому пригнан свободнопоршневой цилиндр 11 с днищем 12 и продувочными и выпускными окнами 13, расположенными против продувочных окон 5, сообщающимися с коллектором (не показано) продувочных впускных окон 5. В нижней части рабочей камеры 14, ограниченной внутренней поверхностью цилиндра 11 и его днищем 12 имеется разъем 15. Внутренняя поверхность днища 12 спрофилирована под рабочую поверхность поршня и выполнена вогнутой до разъема 15, в котором крепится насадка 16, спрофилированная под сопло Лаваля и имеющая наружную коническую поверхность, сопряженную с внутренней поверхностью днища 12 с образованием овальной выемки и внутреннюю осевую проточку, образующую полость 17 охлаждения. Компрессионная камера 2 и камера 3 продувочного воздуха разделены буртиком 18, действующим как двусторонний пневмопоршень поршневого пневмокомпрессора. Буртик 18 и неподвижный поршень 10 снабжены поршневыми кольцами 19. Для обеспечения компрессии между компрессорной камерой 2 и камерой 3 продувочного воздуха установлены L-образные цилиндровые кольца 20. Охлаждаемые поверхности рабочих цилиндров 11 связаны с двумя парами боковых штоков 21, проходящих через полость центрально расположенного гидроцилиндра 22, снабженного всасывающей 23 и нагнетающей 24 магистралями, соединенными с гидротурбиной, и установленной перед всасывающей магистралью 23 золотником в виде клапанной мембраны 25, насаженной на эксцентриковую ось 26. Цилиндрические поверхности корпуса 1 и буртика 18 выполнены с пазами 27 и 28, в которых размещены статор и ротор соответственно. The engine comprises a housing 1 with two opposing cylinder groups, each of which contains a compression chamber 2 and a purge air chamber 3 constituting a piston pneumatic compressor. Through the gas distribution bodies in the form of exhaust valves 4 and purge windows 5, these chambers are connected to a divided combustion chamber 6 and a fuel nozzle 7, the chamber 6 having a neck in the form of a Laval nozzle 8 and a cooling jacket 9 placed in the cavity of the piston 10, which is stationary with a spherical working surface, moreover, the combustion chamber 6 is located axially in the center of the piston bottom 10, to which a free-piston cylinder 11 is fitted with a bottom 12 and purge and exhaust windows 13 located against the purge windows 5 in communication with the call one (not shown) of the purge inlet windows 5. At the bottom of the working chamber 14, bounded by the inner surface of the cylinder 11 and its bottom 12, there is a connector 15. The inner surface of the bottom 12 is profiled under the working surface of the piston and is concave to the connector 15, in which the nozzle is mounted 16, profiled under a Laval nozzle and having an outer conical surface mating with the inner surface of the bottom 12 to form an oval recess and an internal axial groove forming a cooling cavity 17. The compression chamber 2 and the purge air chamber 3 are separated by a shoulder 18 acting as a two-sided pneumatic piston of a piston pneumatic compressor. The shoulder 18 and the stationary piston 10 are provided with piston rings 19. To provide compression between the compressor chamber 2 and the purge air chamber 3, L-shaped cylinder rings 20 are installed. The cooled surfaces of the working cylinders 11 are connected to two pairs of side rods 21 passing through the cavity of the centrally located hydraulic cylinder 22, equipped with a suction 23 and a discharge 24 lines connected to a hydraulic turbine, and installed in front of the suction line 23 spool in the form of a valve membrane 25, mounted on the eccentric axis 26. The cylindrical surface of the housing 1 and the shoulder 18 are made with grooves 27 and 28, in which the stator and rotor are located, respectively.

Двухтактный аксиальный двигатель работает следующим образом. Two-stroke axial motor operates as follows.

Двигатель является аксиальным и конструкция его ходовой части с цилиндром 11 и пневмопоршнем 18 симметрична. Поэтому когда один рабочий цилиндр находится в верхней мертвой точке (в.м.т.), то другой - в нижней мертвой точке (н. м. т. ). Цилиндры 11 двух ступенчатых цилиндровых групп совершают возвратно-поступательное движение, при котором вследствие перемещения пнвмопоршня 18 фильтры поступают попеременно заряды атмосферного воздуха в компрессионную камеру 2 и камеру 3 продувочного воздуха. Попеременно сжимающийся воздух через продувочные окна 5 поступает в рабочую камеру 14 и выходит через выпускные окна 13, осуществляя при этом петлевую продувку рабочей камеры 14. Эффективность продувки повышается благодаря сферически выполненной рабочей поверхности поршня 10 и спрофилированной на ней внутренней поверхности днища 12 цилиндра 11. При прохождении одним из рабочих цилиндров н.м.т. все впускные клапаны и форсунка не работают, в рабочей камере открыты продувочные окна 5 и впускные окна 13, а поток воздуха со стороны компрессионной камеры 2 закручивается, формируясь в вихрь, и через впускные клапана 4 вихреобразно подается в камеру 6 сгорания, в которой степень сжатия воздуха определяется степенью сжатия рабочего цилиндра 11, с одной стороны, и степенью сжатия поршневого компрессора - с другой. Топливо подается через форсунку 7 и распыляется ею, смешиваясь с вихрем, образуя горючую смесь. В такте сжатия воздух из рабочей камеры 14 через сопло Лаваля 8 попадает в камеру 6 сгорания и, смешиваясь с вихрями горючей смеси, увеличивает топливный заряд. Днище 12 рабочего цилиндра 11 с насадкой 16 вплотную примыкает к днищу поршня 10 и раскаленная вершина насадки 16 попадает в полость критического сечения сопла Лаваля 8, способствуя самовоспламенению. Кроме того, овальная выемка, образованная сопряжением наружной конической поверхности насадки 16 с вогнутой внутренней поверхностью днища 12 способствует тому, что угол падения струй горючей смеси равен углу их отражения, увеличивая тем самым эффективность использования топлива. Образующиеся при самовоспламенении потоки газов со сверхзвуковой скоростью вырываются через сопло Лаваля 8 и ударяются о днище 12 рабочего цилиндра 11, заставляя его двигаться в противоположном направлении, увеличивая давление в гидроцилиндре 22 со стороны всасывающей магистрали 23. При этом клапанная мембрана 25 отклоняется в противоположную сторону, направляя поток рабочей жидкости на днище 12 противолежащего рабочего цилиндра 11 и приводя его в действие. Охлаждение днищ 12 рабочих цилиндров 11 происходит за счет движения рабочей жидкости в гидроцилиндре, в качестве которой используют механически и химически очищенную воду. The engine is axial and the design of its chassis with cylinder 11 and pneumatic piston 18 is symmetrical. Therefore, when one slave cylinder is at top dead center (bmw), then the other is at bottom dead center (bm). The cylinders 11 of the two-stage cylinder groups reciprocate, in which, due to the movement of the piston 18, the filters alternately charge atmospheric air into the compression chamber 2 and the purge air chamber 3. Alternately compressing air through the purge windows 5 enters the working chamber 14 and exits through the exhaust windows 13, thereby looping the working chamber 14. The purge efficiency is improved due to the spherically made working surface of the piston 10 and the inner surface of the bottom 12 of the cylinder 11 profiled on it. passing one of the working cylinders n.m.t. all the inlet valves and the nozzle do not work, the purge windows 5 and the inlet windows 13 are open in the working chamber, and the air flow from the side of the compression chamber 2 is twisted, forming a vortex, and through the inlet valves 4 it is vortex-fed into the combustion chamber 6, in which the compression ratio air is determined by the compression ratio of the working cylinder 11, on the one hand, and the compression ratio of the piston compressor, on the other. The fuel is fed through the nozzle 7 and is sprayed by it, mixing with the vortex, forming a combustible mixture. In the compression stroke, the air from the working chamber 14 through the Laval nozzle 8 enters the combustion chamber 6 and, mixed with the vortices of the combustible mixture, increases the fuel charge. The bottom 12 of the working cylinder 11 with the nozzle 16 is adjacent to the bottom of the piston 10 and the hot tip of the nozzle 16 falls into the cavity of the critical section of the Laval nozzle 8, contributing to self-ignition. In addition, the oval recess formed by pairing the outer conical surface of the nozzle 16 with the concave inner surface of the bottom 12 helps to ensure that the angle of incidence of the jets of the combustible mixture is equal to the angle of reflection, thereby increasing fuel efficiency. Gas flows generated by self-ignition with supersonic speed break out through the Laval nozzle 8 and hit the bottom 12 of the working cylinder 11, forcing it to move in the opposite direction, increasing the pressure in the hydraulic cylinder 22 from the side of the suction line 23. In this case, the valve membrane 25 deviates in the opposite direction, directing the flow of working fluid to the bottom 12 of the opposing working cylinder 11 and putting it into action. The cooling of the bottoms 12 of the working cylinders 11 occurs due to the movement of the working fluid in the hydraulic cylinder, which is used mechanically and chemically purified water.

Следует отметить, что поток рабочих газов не касается боковых стенок рабочего цилиндра 11 и не подвергает их высокотемпературной тепловой нагрузке, т. к. сопло Лаваля 8 направляет струи рабочих газов непосредственно на охлаждаемое днище 12. Во избежание гидроудара клапанная мембрана 25 повертывается и автоматически переводит ходовую часть двигателя из в.м.т. даже при холостом ходе. В случае проскока самовоспламенения в.м.т. будет пройдена за счет гидрошатуна, в качестве которого выступает двухпоршневой гидронасос. It should be noted that the flow of working gases does not touch the side walls of the working cylinder 11 and does not expose them to high-temperature heat load, because the Laval nozzle 8 directs the jets of working gases directly to the cooled bottom 12. In order to avoid hydraulic shock, the valve membrane 25 rotates and automatically transfers the chassis engine part from v.m.t. even at idle. In the event of a spontaneous ignition of bmw It will be driven by a hydraulic connecting rod, which is a two-piston hydraulic pump.

Насадка 16 выполнена съемной и установлена в разъем 15. Осевое сечение насадки 16 составляет 10-20% от общей рабочей площади днища 12 цилиндра 11. Внутренняя осевая проточка насадки 16 образует с центральной частью днища 12 цилиндра 11 полость 17 охлаждения. Насадка выполнена из вольфрама с достаточным количеством сквозных микроотверстий диаметром порядка 1 мкм. Такая конструкция снижает испарение воды из микроотверстий во время прохождения насадкой 16 полости сопла Лаваля 8 и исключает попадание воды в камеру 6 сгорания. После самовоспламенения при обратном ходе поршня насадка раскаляется и свойство несмачиваемости водой вольфрама не влияет на процесс испарения, что вызывает охлаждение днища 12 цилиндра 11 и увеличение давления в рабочей камере 14 за счет добавочного парциального давления паров воды, являющихся адсорбентом вредных выбросов. Предлагаемый двигатель преобразует возвратно-поступательное движение во вращательное через двухпоршневой гидронасос, связанный через гидротурбину с рабочим валом. The nozzle 16 is removable and installed in the connector 15. The axial section of the nozzle 16 is 10-20% of the total working area of the bottom 12 of the cylinder 11. The internal axial groove of the nozzle 16 forms a cooling cavity 17 with the central part of the bottom 12 of the cylinder 11. The nozzle is made of tungsten with a sufficient number of through holes in the diameter of about 1 μm. This design reduces the evaporation of water from the microholes during the passage of the nozzle 16 of the cavity of the Laval nozzle 8 and eliminates the ingress of water into the combustion chamber 6. After self-ignition during the reverse stroke of the piston, the nozzle heats up and the tungsten non-wetting property does not affect the evaporation process, which causes cooling of the bottom 12 of the cylinder 11 and an increase in pressure in the working chamber 14 due to the additional partial pressure of water vapor, which is an adsorbent of harmful emissions. The proposed engine converts the reciprocating motion into rotational motion through a two-piston hydraulic pump connected through a hydraulic turbine to the working shaft.

Для запуска двигателя имеются силовые обмотки, размещенные в пазах 27 цилиндрической поверхности корпуса 1 и пазах 28 буртика 18 и служащие статором и ротором соответственно. При пропускании переменного электрического тока эти обмотки служат вибратором запуска. To start the engine, there are power windings located in the grooves 27 of the cylindrical surface of the housing 1 and grooves 28 of the shoulder 18 and serving as a stator and rotor, respectively. When passing alternating electric current, these windings serve as a trigger vibrator.

Двигатель изготавливают из алюминия с хромированием рабочих поверхностей цилиндров 11 и выпускных окон 13. Рабочие поверхности камеры сгорания 6, сопла Лаваля 8, днища цилиндра 15 выполнены из металлокерамики. Двигатель является высокооборотным с широким диапазоном форсирования. The engine is made of aluminum with chrome plating of the working surfaces of the cylinders 11 and exhaust windows 13. The working surfaces of the combustion chamber 6, the Laval nozzle 8, the cylinder bottom 15 are made of cermet. The engine is high speed with a wide boost range.

Предлагаемый двигатель надежен, технологичен, дешев, прост при эксплуатации и обслуживании, обеспечивает экономию топлива, позволяет форсировать мощность без изменений объема камер и массогабаритов настолько, насколько ограничен предел воздухосборников и смесеобразующих камер. Конструкция двигателя допускает помодульное использование в блоке модулей. Его можно использовать в транспортной и энергетической отраслях промышленности. The proposed engine is reliable, technologically advanced, cheap, easy to operate and maintain, provides fuel economy, allows you to force power without changing the volume of the chambers and mass dimensions as much as the limit is limited to air collectors and mixture-forming chambers. The engine design allows for modular use in the module block. It can be used in the transport and energy industries.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1192635, кл. F 02 B 71/00, опубл. 15.11.85. Двухтактный свободнопоршневой двигатель.Sources of information
1. USSR Copyright Certificate 1192635, cl. F 02 B 71/00, publ. 11/15/85. Two-stroke free piston engine.

2. Авторское свидетельство СССР N 1038487, кл. F 01 B 9/08, опубл. 30.08.83. Поршневая машина Лапидуса. 2. USSR author's certificate N 1038487, cl. F 01 B 9/08, publ. 08/30/83. Lapidus piston machine.

Claims

1. A two-stroke axial engine containing a housing with compression chambers, two opposite stepped cylinder groups connected by rods and a hydraulic pump cylinder, having two working cylinders with purge and exhaust windows, mounted with the possibility of reciprocating movement, with a stationary piston placed in each of them with a spherical working surface having cooling jackets and a divided combustion chamber with a fuel nozzle and intake valves in communication with the working chamber, distinguishing The fact that the divided combustion chamber is made spherical with a neck in the form of a Laval nozzle, and the inner surface of the bottom of each working cylinder is profiled under the working surface of the piston and made with a nozzle profiled under the Laval nozzle, having an outer conical surface mated to the inner surface of the cylinder bottom with the formation of an oval recess, and an internal axial groove forming a cooling cavity, and the ends of the working cylinder are made with a shoulder separating the engine casing for food full-time and compression chambers that make up the piston pneumatic compressor and the pneumatic piston serving for it, moreover, the hydraulic pump spool is made in the form of an eccentric valve membrane with an axis installed in front of the suction pipe on its axial and with saddles formed by the opposite walls of the suction and discharge pipes connected through the main with a hydraulic turbine, and the pistons of the hydraulic pump are the bottoms of two opposing working cylinders.

2. The two-stroke axial engine according to claim 1, characterized in that the nozzle is made with through holes in diameter up to 1 μm from chemically pure tungsten.

3. A two-stroke axial engine according to claims 1 and 2, characterized in that the flange and the cylindrical surface of the housing are grooved to accommodate the power windings of the start vibrator and a reversible linear electric generator.