ДВУХТАКТНЫЙ АКСИАЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.

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.

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.

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.

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.

Целью настоящего изобретения является повышение удельной мощности, надежности, топливной экономичности двигателя, а также обеспечение компактности его конструкции.

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.

На чертеже изображен предлагаемый двухтактный аксиальный двигатель в разрезе.

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.

Двухтактный аксиальный двигатель работает следующим образом.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1192635, кл. F 02 B 71/00, опубл. 15.11.85. Двухтактный свободнопоршневой двигатель.

2. Авторское свидетельство СССР N 1038487, кл. F 01 B 9/08, опубл. 30.08.83. Поршневая машина Лапидуса.

Изобретение относится к отрасли двигателестроения и позволяет повысить удельную мощность, надежность, топливную экономичность двигателя, а также обеспечить компактность его конструкции, двигатель содержит корпус с компрессионными камерами, две противолежащие ступенчатые цилиндровые группы, соединенные штоками и цилиндром гидронасоса, и два рабочих цилиндра с продувочными и выпускными окнами, установленные с возможностью возвратно-поступательного движения. В каждом из цилиндров размешены неподвижные поршни, имеющие разделенную камеру сгорания с топливной форсункой. Камера сгорания выполнена сферической с горловиной в виде сопла Лаваля. Торцы рабочего цилиндра выполнены с буртиком, разделяющим корпус двигателя на продувочную и компрессионную камеры, составляющие поршневой пневмокомпрессор. Золотник гидронасоса выполнен в виде эксцентриковой клапанной мембраны, организующей перекачку рабочей жидкости для привода выходной гидротурбины. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двухтактный аксиальный двигатель, содержащий корпус с компрессионными камерами, две противолежащие ступенчатые цилиндровые группы, соединенные штоками и цилиндром гидронасоса, имеющие два рабочих цилиндра с продувочными и выпускными окнами, установленные с возможностью возвратно-поступательного движения, с размещенными в каждом из них неподвижным поршнем со сферической рабочей поверхностью, имеющим рубашки охлаждения и разделенную камеру сгорания с топливной форсункой и впускными клапанами, сообщенную с рабочей камерой, отличающийся тем, что 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 выполнен 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. 2. Двухтактный аксиальный двигатель по п.1, отличающийся тем, что насадка выполнена со сквозными микроотверстиями диаметром до 1 мкм из химически чистого вольфрама. 3. Двухтактный аксиальный двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что буртик и цилиндрическая поверхность корпуса выполнены с пазами для размещения силовых обмоток вибратора запуска и обратимого линейного электрического генератора.