RU2176025C1

RU2176025C1 - Power-generating heat engine

Info

Publication number: RU2176025C1
Application number: RU2000114144A
Authority: RU
Inventors: В.В. Квашенников
Original assignee: Квашенников Валерий Валентинович
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2000-06-06
Publication date: 2001-11-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; free-piston engine-generator sets. SUBSTANCE: power- generating heat engine incorporating 40 to 80 kW power modules has two-cycle free-piston internal-combustion engine provided with stepwise reciprocating four-piston group with pistons rigidly coupled by means of rod. Two external pistons form engine combustion chamber with cylinder heads and fuel injectors; two internal pistons form compression spaces in crankcase. Power generator and turbine built integral to form single structure are mounted in center of crankcase space; turbine has radial ducts conveying lubricant to supporting bearings. Compressor pistons force air within crankcase space and set turbine in unidirectional rotary motion to drive generator rotor and at the same time to convey generated electricity to user. Compressor pistons carry permanent magnets that form, together with stator windings, linear generators and engine starting devices. EFFECT: enhanced efficiency of power modules. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к двигателестроению с трансмиссией в виде электропривода. The invention relates to power engineering, in particular to engine building with a transmission in the form of an electric drive.

Сущность изобретения: в машине применяется двухтактный аксиальный двигатель внутреннего сгорания со свободноподвижной ступенчатой поршневой группой, соединенной штоком, образующей противолежащие камеры сгорания, оснащенные головками цилиндров, имеющими топливные форсунки, на цилиндрах размещены коллекторы выпускных окон, а под поршнями картеры, которые отделены крышками с центральным отверстием для штока и с окнами для впускных пневмоклапанов от поршневых компрессоров, подающих продувочный воздух через перепускные коллекторы и через впускные магнитные клапана головок в камеры сгорания, имеющие свечи зажигания. Поршневой компрессор обеспечивает увеличение общего объема топливной смеси и, таким образом, удельной мощности двигателя, а улучшение смазки и компрессии за счет картера. The inventive machine uses a two-stroke axial internal combustion engine with a freely moving stepped piston group connected by a rod forming opposing combustion chambers equipped with cylinder heads having fuel nozzles, exhaust port manifolds are placed on the cylinders, and under the pistons are crankcases, which are separated by covers with a central a hole for the stem and with windows for the inlet pneumatic valves from reciprocating compressors supplying purge air through the bypass manifolds and cut inlet magnetic valve heads in combustion chambers having spark plugs. The piston compressor provides an increase in the total volume of the fuel mixture and, thus, the specific power of the engine, and improved lubrication and compression due to the crankcase.

Исключение боковых усилий на рабочие поршни способствует увеличению ресурса поршневых колец, повышает их надежность, улучшает системы смазки и за счет этого улучшаются компрессия, экологические характеристики и долговечность двигателя. Совместно с двигателем машина содержит также узел отбора мощности в виде электрогенератора, размещенного в центре на штоке и состоящего из двух перепускных камер с корпусом в виде пневмоцилиндров, выполненных как аксиальное удлинение компрессорных камер, причем электрогенератор совмещен с турбиной в одной плоскости и снабжен радиальными каналами, подающими смазку на опорные подшипники. The elimination of lateral forces on the working pistons increases the resource of the piston rings, increases their reliability, improves lubrication systems and thereby improves compression, environmental performance and engine durability. Together with the engine, the machine also contains a power take-off unit in the form of an electric generator located in the center on the rod and consisting of two bypass chambers with a housing in the form of pneumatic cylinders, made as axial extension of the compressor chambers, the electric generator being combined with the turbine in one plane and provided with radial channels, lubricating the pillow block bearings.

Перепускные камеры содержат уплотненный воздух со скачком давления в плоскости турбины, приводящий ее в однонаправленное вращение за счет зеркально-симметричного профиля сечения лопаток, а также за счет зеркальносимметричного расположения направляющих справа и слева от турбины. Направляющие жестко прикреплены к корпусу камер и к центральной втулке, через который проходит шток. Причем постоянные магниты роторного электрогенератора, выполненные на основе Nd-Fe-В, закреплены на лопатках турбины, а статор его выполнен в виде соленоидов, охватывающих якорь и закрепленных на корпусах. The bypass chambers contain compressed air with a pressure jump in the turbine plane, leading it to unidirectional rotation due to the mirror-symmetric profile of the cross section of the blades, and also due to the mirror-symmetric arrangement of the guides to the right and left of the turbine. The guides are rigidly attached to the camera body and to the central sleeve through which the stem passes. Moreover, the permanent magnets of the rotary electric generator, made on the basis of Nd-Fe-B, are mounted on the turbine blades, and its stator is made in the form of solenoids covering the armature and mounted on the cases.

Известен "Двухтактный двигатель внутреннего сгорания" /1/, содержащий цилиндр с поршнем, имеющим отверстие, в котором размещен впускной клапан, клапан для впуска топливовоздушной смеси из впускного коллектора в камеру всасывания, которая расположена под поршнем, изолирована от кривошипной камеры и сообщена с расположенной над поршнем камерой сгорания посредством перепускного коллектора, на входе которого размещен впускной клапан для подачи топливовоздушной смеси из камеры всасывания в камеру сгорания, окно выпуска отработавших газов из камеры сгорания, расположенное на стенке цилиндра, дополнительный поршень, размещенный в цилиндре между кривошипной камерой и основным поршнем и жестко связанный с основным поршнем, вторую камеру всасывания, размещенную между первой камерой всасывания и дополнительным поршнем, изолированную от первой камеры всасывания посредством перегородки и сообщенную с впускным коллектором посредством клапана, установленного в отверстии на входе во вторую камеру всасывания и обращенного входом к впускному коллектору, отличающийся тем, что вторая камера всасывания сообщена с перепускным коллектором посредством клапана, обращенного входом ко второй камере всасывания, а в перепускном коллекторе у входа в камеру сгорания установлен пневматический клапан, обращенный входом к первой и второй камерам всасывания. Known "Two-stroke internal combustion engine" / 1 /, containing a cylinder with a piston having an opening in which an inlet valve is located, a valve for admitting the air-fuel mixture from the intake manifold to the suction chamber, which is located under the piston, is isolated from the crank chamber and communicates with above the piston of the combustion chamber by means of an overflow manifold, at the inlet of which there is an inlet valve for supplying the air-fuel mixture from the suction chamber to the combustion chamber, an exhaust window and C of the combustion chamber located on the cylinder wall, an additional piston located in the cylinder between the crank chamber and the main piston and rigidly connected to the main piston, a second suction chamber located between the first suction chamber and the additional piston, isolated from the first suction chamber by means of a partition and communicated with an intake manifold by means of a valve installed in the hole at the entrance to the second suction chamber and facing the entrance to the intake manifold, characterized in that The second suction chamber is in communication with the bypass manifold by means of a valve facing the inlet to the second suction chamber, and a pneumatic valve is installed in the bypass manifold at the inlet of the combustion chamber, facing the inlet of the first and second suction chambers.

К недостаткам вышеприведенного технического решения является отсутствие полноценной прямоточной продувки. Кроме того, наличие коленчатого вала и крейцкопфа в двигателе /1/ усложняет технологию его производства. The disadvantages of the above technical solution is the lack of a full straight-through purge. In addition, the presence of the crankshaft and crosshead in the engine / 1 / complicates the technology of its production.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является силовой агрегат на основе двухтактного двигателя внутреннего сгорания /2/, содержащий корпус, двигатель внутреннего сгорания с выходным штоком и узел отбора мощности, при этом двигатель внутреннего сгорания выполнен по двухтактной схеме и содержит по меньшей мере один цилиндр, установленный на корпусе и снабженный клапанным устройством впрыска топлива, поршень, размещенный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения, жестко связанный с выходным штоком, продувочный компрессор с компрессорным цилиндром, выполненным в виде аксиального удлинения цилиндра двигателя, и компрессорным поршнем, установленным в компрессорном цилиндре и размещенным на основании поршня двигателя, впускной воздушный канал, соединенный с компрессорным цилиндром и снабженный обратным клапаном, и продувочный воздушный канал, соединяющий компрессорный цилиндр с цилиндром двигателя, отличающийся тем, что узел отбора мощности дополнительно содержит электрическую обратимую машину с магнитом, закрепленным на выходном центральном штоке двигателя, и статорной катушкой с железным сердечником, размещенным на корпусе машины. The closest technical solution adopted for the prototype is a power unit based on a two-stroke internal combustion engine / 2 /, comprising a housing, an internal combustion engine with an output rod and a power take-off, while the internal combustion engine is made in a two-stroke scheme and contains at least one cylinder mounted on the housing and equipped with a fuel injection valve device, a piston placed in the cylinder with the possibility of reciprocating movement, rigidly connected with the output ohm, a purge compressor with a compressor cylinder made in the form of an axial extension of the engine cylinder and a compressor piston installed in the compressor cylinder and placed on the base of the engine piston, an inlet air duct connected to the compressor cylinder and provided with a check valve, and a purge air duct connecting a compressor cylinder with an engine cylinder, characterized in that the power take-off assembly further comprises an electric reversible machine with a magnet fixed to the outlets one central motor rod, and a stator coil with an iron core placed on the machine body.

Недостатком силового агрегата/2/ является то, что обратная связь высокооборотных гидравлических поршневых насосов с приводными гидромоторами недостаточно однозначна, что может привести к нестабильности давления рабочей жидкости и не исключает возможности возникновения гидроударов в гидропроводах. The disadvantage of the power unit / 2 / is that the feedback of the high-speed hydraulic piston pumps with the drive hydraulic motors is not clear enough, which can lead to instability of the working fluid pressure and does not exclude the possibility of hydraulic shock in hydraulic pipes.

Цель: Целью изобретения является создание энергетического электросилового модуля с низкими массогабаритами и с высокой эффективностью и удельной мощностью, способного служить в качестве автономного источника электроэнергии мощностью от 30 кВт до 75 кВт или же в случае улучшения экологии выхлопных газов может быть использован для электропривода автомобиля с батареей аккумуляторов и электродвигателями, вращающими колеса автомобиля через планетарную передачу. Purpose: The aim of the invention is the creation of an energy electric power module with low mass dimensions and with high efficiency and specific power, capable of serving as an autonomous source of electricity with a power of 30 kW to 75 kW or, in the case of improving the ecology of exhaust gases, it can be used to drive a car with a battery batteries and electric motors that rotate the wheels of the car through a planetary gear.

На чертеже изображена предлагаемая тепловая электрогенерирующая машина со свободнопоршневой группой и с совмещенными турбиной и электрогенератором. Двигатель машины содержит симметрично расположенную ступенчатую поршневую группу с рабочими поршнями 1, с двумя пневмопоршнями 2, корпусом из двух частей, две гильзы рабочих цилиндров 3 и гильзы цилиндров, сопряженных между собой компрессорной 4 и перепускной камерами 5. Причем компрессоры имеют на крышке 6 впускные пластинчатые пневмоклапана 7 для забора воздуха. Все поршни соединены штоком 8 и 9 через пальцы 10 или через резьбовые соединения в теле пневмопоршней 2, причем в середине шток 7 имеет круглое сечение, а в компрессоре и картере 11 - квадратное сечение 9. The drawing shows the proposed thermal power generating machine with a free piston group and with a combined turbine and power generator. The engine of the machine contains a symmetrically located stepped piston group with working pistons 1, with two pneumatic pistons 2, a two-part housing, two cylinder liners 3 and cylinder liners, interconnected by compressor 4 and bypass chambers 5. Moreover, the compressors have inlet lamellas on the cover 6 pneumatic valve 7 for air intake. All pistons are connected by a rod 8 and 9 through the fingers 10 or through threaded connections in the body of the pneumatic piston 2, with the rod 7 having a circular cross section in the middle, and a square section 9 in the compressor and crankcase 11.

Камеры сгорания 12 являются противолежащими и снабжены выпускными окнами 13, связанными коллектором, впускным клапаном прямоточной продувки 14, свечами зажигания 15, топливными форсунками 16, кроме того, впускные клапана имеют шток 17, перепускной коллектор 18 подачи воздуха из компрессора, пружину 19, пневмопоршень на штоке 20, пригнанный гильзе 21, соленоид 22, закрепленный на железной гильзе 21, и цилиндрический, также пригнанный к гильзе 21, выполненный на основе Nd-Fe-В постоянный сплошной магнит 23. Рабочая камера сгорания снабжена на боковой поверхности цилиндра и на головке цилиндра ребрами воздушного охлаждения 24. В корпус картера 11 залито смазочное масло 25, поступающее через отверстия в поршнях на поршневые кольца 26 и снимаемое ими во избежание пригорания и выделения вредных выбросов. Пневмопоршни также снабжены поршневыми кольцами 27 и окольцованы постоянными магнитами 28, служащими совместно с обмотками статора 29, якорями обратимого линейного генератора, а также вибратором запуска. Электрогенератор размещен посередине и имеет кольцевой обод из постоянных магнитов 30, установленных на лопатках 31 ротора турбины 32, имеющего опорные подшипники 33, а также центральную втулку 34, закрепленную сваркой к корпусу 5 с помощью направляющих 35, приваренных также к втулке 34. Статором служат соленоиды 36, закрепленные на корпусах перепускных камер 5. Роторные подшипники 34 также имеют смазку через радиальные каналы 37, закрепленные на направляющих 35. The combustion chambers 12 are opposite and are equipped with exhaust ports 13 connected by a collector, a straight-through-air inlet valve 14, spark plugs 15, fuel nozzles 16, in addition, the inlet valves have a stem 17, an overflow manifold 18 for supplying air from the compressor, a spring 19, a pneumatic piston on rod 20, fitted with sleeve 21, solenoid 22, mounted on iron sleeve 21, and cylindrical, also fitted with sleeve 21, made on the basis of Nd-Fe-B permanent solid magnet 23. The working combustion chamber is provided on the side surface the cylinder bores and on the cylinder head by air-cooled fins 24. Lubricating oil 25 is poured into the crankcase 11, which flows through the holes in the pistons to the piston rings 26 and is removed by them to prevent burning and emission of harmful emissions. Pneumatic pistons are also equipped with piston rings 27 and ringed by permanent magnets 28, which serve together with the stator windings 29, the armature of the reversible linear generator, as well as the trigger vibrator. The generator is located in the middle and has an annular rim of permanent magnets 30 mounted on the blades 31 of the turbine rotor 32 having thrust bearings 33, as well as a central bushing 34, welded to the casing 5 by means of guides 35, also welded to the bushing 34. Solenoids serve as a stator 36, mounted on the bodies of the bypass chambers 5. The rotary bearings 34 also have lubrication through radial channels 37, mounted on the rails 35.

Двигатель и электрогенератор работают следующим образом. Ступенчатая поршневая группа 1 и 2 совершает возвратно-поступательное движение, при котором происходит всасывание и сжатие воздуха через клапана 7 в компрессорные камеры 4. Одновременно перекачиваемый в перепускных камерах 5 воздух заставляет вращаться электрогенератор в одну и ту же сторону, несмотря на возвратно-поступательное движение воздуха, благодаря симметричному относительно плоскости вращения профилю сечения лопаток турбины 32. За счет вращения электрогенератор поз. N N 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 начинает работать и вырабатывать индукционный электрический ток в соленоидах 36, относительно которых вращается многополюсный обод из постоянных магнитов 30. The engine and the generator work as follows. The stepped piston group 1 and 2 performs a reciprocating movement, in which air is sucked and compressed through the valve 7 to the compressor chambers 4. At the same time, the air pumped in the bypass chambers 5 causes the generator to rotate in the same direction, despite the reciprocating movement air, due to the cross-sectional profile of the turbine blades 32, symmetrical relative to the plane of rotation. Due to rotation, the electric generator pos. N N 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 starts to work and generate an induction electric current in the solenoids 36, relative to which the multi-pole rim of permanent magnets 30 rotates.

Двухтактный аксиальный двигатель работает следующим образом. Необходимый для полного сгорания топлива воздух подается в камеру сгорания 12 через электронно-управляемый пневмоклапан 14 благодаря перепускному коллектору 18, связывающему компрессор 4 и головку цилиндра. При этом воздух попадает в камеру сгорания в момент открытия выпускных окон 13 и вытесняет отработавшие газы в выхлопной коллектор. Two-stroke axial motor operates as follows. The air necessary for complete combustion of the fuel is supplied to the combustion chamber 12 through an electronically controlled pneumatic valve 14 due to the bypass manifold 18 connecting the compressor 4 and the cylinder head. When this air enters the combustion chamber at the time of opening of the exhaust windows 13 and displaces the exhaust gases into the exhaust manifold.

Сигнал для подачи топлива форсункой 16, для открытия пневмоклапана 14 и срабатывания свечи зажигания 15 синхронно вырабатывается линейными генераторами поз.28,29. После этого образовавшаяся топливовоздушная смесь (Т.В.С.) сжимается под действием противолежащей цилиндро-поршневой пары, которая совершает рабочий ход и передает свое движение благодаря штоку, поз. 8 и 9. The signal for supplying fuel by the nozzle 16, for opening the pneumatic valve 14 and the spark plug 15 is triggered, is synchronously generated by linear generators pos. 28.29. After that, the resulting air-fuel mixture (T.V.S.) is compressed under the action of the opposite cylinder-piston pair, which makes a working stroke and transmits its movement thanks to the rod, pos. 8 and 9.

В момент наибольшего сжатия вблизи верхней мертвой точки, когда впускной клапан 14 закрыт, а Т.В.С. максимально сконцентрирована вблизи днища поршня и головки цилиндра, синхронно срабатывает свеча зажигания 15. Картер 11 питает смазочным маслом поршневые кольца 26. Опорные подшипники 33 питаются по радиальным каналам 37. Пневмоклапан прямоточной продувки 14 содержит соленоид 22 и магнит 23, а в выхлопных окнах установлены термодиоды, что позволяет выполнить его электронно - управляемым по известным автоэлектронным схемам. Двигатель является высокооборотным с широким диапазоном форсирования. Машина может быть использована в транспортной и энергетической отраслях промышленности, а также получить широкое применение в народном хозяйстве. At the moment of greatest compression near the top dead center, when the intake valve 14 is closed, and T.V.S. maximally concentrated near the bottom of the piston and cylinder head, the spark plug 15 is triggered synchronously. The crankcase 11 supplies the piston rings 26 with lubricating oil. The thrust bearings 33 are fed through radial channels 37. The direct-purge pneumatic valve 14 contains a solenoid 22 and a magnet 23, and thermal exhaust diodes are installed in the exhaust windows that allows you to perform it electronically - controlled by well-known auto-electronic circuits. The engine is high speed with a wide boost range. The machine can be used in the transport and energy industries, as well as to be widely used in the national economy.

Источники информации:
1. Патент РФ N 2066379 кл. F 02 B 33/12 опубл. 13.07.94 г. "Двухтактный двигатель внутреннего сгорания" Скрипова Ю.Л..Sources of information:
1. RF patent N 2066379 class. F 02 B 33/12 publ. 07/13/94, "Two-stroke internal combustion engine" Skripova Yu.L.

2. Патент СССР N 1776332 кл. F 02 B 71/00 опубл. в бюл. N 42 от 1992 года "Силовой агрегат" САМПО МАТТИ (Fi) и ТОЙМИНИ КОНЕ - САМПО (Fi). 2. USSR patent N 1776332 class. F 02 B 71/00 publ. in bull. N 42 from 1992 "Powertrain" SAMPO MATTI (Fi) and TOYMINI KONE - SAMPO (Fi).

Claims

1. Thermal power generating machine containing a two-stroke free-piston internal combustion engine having a stepwise piston group of four pistons symmetrically arranged with the possibility of reciprocating, connected by a rod and forming opposite ribbed symmetric combustion chambers equipped with cylinder heads equipped with cylinder heads with fuel nozzles also exhaust port manifolds and crankcases located under the pistons, separated from the piston compressors pads having holes for the stem and inlet windows with pneumatic valves, and the compressors are in communication with the inlet valves of the heads through the bypass manifolds, which also contains an electric generator located in the center of the rod, characterized in that it contains a turbine equipped with radial channels supplying grease to the bearings, and installed in conjunction with an electric generator, which is located between two bypass chambers formed by two cylinder-piston pairs of reciprocating compressors and containing a sealed the air leading the turbine in unidirectional rotation, and the turbine blades are symmetrical about the plane of rotation along the section profile, and the guides to the right and left of the blades are rigidly attached to the casing and the sleeve so that they form the same angles of inclination to the plane of rotation of the turbine, while the engine equipped with spark plugs and inlet valves of direct-flow purge, and pneumatic valves are made lamellar.

2. The machine according to claim 1, characterized in that the turbine blades are bordered by a hoop concentric with it, on which are mounted docked by the same name poles, permanent magnets made as segments of a circle, made on the basis of Nd-Fe-B and serving as the armature of the generator, and its stator made in the form of solenoids, covering the anchor and mounted on the bodies of the bypass chambers.

3. The machine according to claims 1 and 2, characterized in that the pneumatic pistons dividing the chambers into bypass and compressor chambers have concentric ring permanent magnets based on Nd-Fe-B that serve as anchors of reversible linear electric generators.