ДВУХТАКТНЫЙ АКСИАЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК F02B71/04 

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

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с поршнем, имеющим отверстие, в котором размещен впускной 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.

Патент России N 2066379, МКИ F 02 B 33/12, публ. 10.09.1996 г., бюл. N 25, з. N 94026031/06 от 13.07.94 г., патентообладатель Скрипов Ю.Л.

К недостаткам вышеприведенного технического решения относится ограниченность объема компрессионных камер, не позволяющая оптимизировать степень сжатия, что в значительной степени определяет индикаторный КПД двигателя и его эффективность. Кроме того, наличие коленчатого вала в двигателе Скрипова усложняет технологию его производства.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому в качестве изобретения двухтактному аксиальному двигателю является поршневая машина Лапидуса, содержащая корпус, цилиндр, поршень и размещенные в последнем выходной вал и передаточный механизм одностороннего действия, причем поршень установлен в корпусе неподвижно, а цилиндр с возможностью возвратно-поступательного перемещения, поршень и цилиндр при этом 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.

Авт. свид. СССР N 1038487, МКИ F 01 В 9/08, дата подачи заявки 24.10.79 г., з. N 2831823/25-06, дата публикации 30.08.83 г., бюл. N 32.

Заявитель Минский филиал Гос. проектно-технологического и экспериментального института "Оргстанкинпром".

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении удельной мощности, надежности, топливной экономичности и компактности конструкции.

Для достижения вышеуказанного результата в двухтактном аксиальном двигателе, содержащем корпус с торцевыми компрессионными камерами, две противолежащие цилиндропоршневые пары с выпускными окнами, причем цилиндры установлены с возможностью возвратно-поступательного движения, днища цилиндропоршневых пар имеют рубашки охлаждения, топливные форсунки и впускные клапаны, соединяющие компрессионные камеры с рабочими. Торцы рабочего цилиндра снабжены буртиком, образующим поршневой пневмокомпрессор, а золотник гидронасоса выполнен в виде эксцентриковой клапанной мембраны с осью, установленной перед всасывающим патрубком на его осевой линии и с седлами, образованными противолежащими стенками всасывающего и нагнетающего патрубков. Свободноподвижный цилиндр с прорезями для движения и выпуска отработавших газов образует с двухсторонним поршнем, закрепленным неподвижно на держателе и имеющим топливные и водяные форсунки, а также свечи зажигания, выходящие в камеры сгорания, образованные внутренней поверхностью цилиндра, две цилиндропоршневые пары. Днища поршня имеют рубашки охлаждения, а днища цилиндра, выполненные также охлаждаемыми, имеют буртики на торцах цилиндров и вместе с ними служат поршнями в поршневых компрессионных камерах, сообщенных через впускные клапаны с камерами сгорания для прямоточной продувки.

На корпусах компрессионных камер размещены обмотки статора обратимого электрического линейного генератора, подвижные якоря которого, установленные в буртиках свободноподвижного цилиндра также, как диск обратного пневмоклапана на крышке компрессионной камеры и дискообразная пятка впускного клапана рабочей камеры, выполнены из постоянных магнитов на основе Nd-Fe-B, причем диски, расположенные по центральной оси, имеют противоположную направленность намагниченности.

Модули цилиндропоршневых пар с держателями последовательно соединены штоками через крышки с уплотнениями, при этом свободноподвижные цилиндры сбалансированы крейцкопфным механизмом.

На гидронасосе установлен запаянный гидростатический патрубок с пузырьками воздуха, давление в котором уравновешивает давление жидкости.

Гидронасос связан с гидротурбиной, которая вращает роторные многополюсные, выполненные на основе постоянных магнитов, электрогенераторы, непосредственно связанные с четырехполюсными электродвигателями, осуществляющими силовой привод через планетарную передачу, а линейный генератор служит для привода с помощью соленоида впускного клапана.

Якорь линейного генератора выполнен из кольцевых концентрических постоянных магнитов на основе Nd-Fe-B, а электрические обмотки статора также имеют вид концентрических кольцевых соленоидов, размещенных в пазах между магнитами.

На фиг.1 изображен модуль двухтактного аксиального двигателя в разрезе; на фиг.2 - разрез двигателя в сборе.

Двигатель (фиг. 4) содержит две торцевые крышки 1 с обратными пневмоклапанами 2, установленные на двух цилиндрах-корпусах 3 с пазами, образующие компрессионную камеру 4 поршневых компрессоров, имеющих поршневые кольца 5 и пневмопоршни 6, снабженные впускными клапанами 7, выходящими через днище 8, и являющиеся рабочей поверхностью свободноподвижного цилиндра 9. Под буртиками свободноподвижного цилиндра 9 установлены четыре небольших гидронасоса 10, снабженные инерционными обратными гидроклапанами 11, установленные в гидропоршеньках. Выпуск отработавших газов производится через выпускные окна 12, между которыми установлены гидроцилиндры 13 гидронасоса 10, а на входе и выходе системы охлаждения днищ цилиндра 9 установлены золотники, содержащие штифт-ограничитель хода 14, ось вращения 15 и седло 16 клапанной мембраны 17, которая направляет охлаждающую жидкость в полость охлаждения 18 днищ цилиндра 9. На держателе 19 с помощью симметричного разъема установлен двусторонний поршень 20 с установленными в нем с двух сторон свечами зажигания 21, топливными форсунками 22, рубашками охлаждения 23. Днище двустороннего поршня 20 образует совместно с свободнонодвижным цилиндром 9 камеру сгорания 24.

Система охлаждения работает за счет собственного движения, в котором участвуют гидропоршни 25, снабженные в виде шариков 26 инерционными клапанами 11 с пружинами, а также L-образными уплотнительными поршневыми кольцами 27. Охлаждающая жидкость выводится через магистраль 28 в радиатор охлаждения, минуя демпфирующие гидроудары пластины 29 и корпус золотника 30. В буртиках свободноподвижного цилиндра 9 установлены два сверхсильных постоянных кольцевых магнита 31 на основе Nd-Fe-B, служащих якорем обратимого линейного электрогенератора, обмотка 32 статора размещена в пазах корпусов 3. Вырабатываемый электрический ток не требует специального преобразования по частоте, фазе, направлению и непосредственно подается на четырехполюсные электродвигатели, якоря которых выполнены из постоянных магнитов на основе Nd-Fe-B (на рисунке не показано). Кроме того, пятки 33 впускных клапанов 7 и диски 2 обратных пневмоклапанов выполнены также из постоянных магнитов, установленных с противоположной направленностью намагниченности во избежание соударений.

Двигатель в сборе (фиг.2) содержит крейцкопф 34, направляющие 35, соединительный палец 36, шатун 37, ось вращения 38, эксцентрик 39, картер 40, соединительные штоки с модулями двигателя 41. В разрезах на фиг.2 модулей показаны компрессионные камеры 42, впускные клапана 43, камера сгорания 44, магистрали системы охлаждения 45, держатели 46, свечи зажигания 47, топливные форсунки 48, межмодульные уплотнения 49, межмодульные соединительные штоки 50, выпускные окна 51, постоянные магниты линейного электрогенератора 52, обмотки статора линейного электрогенератора 53.

Двухтактный аксиальный двигатель работает следующим образом. Двигатель является аксиальным, поэтому в модуле конструкция его цилиндропоршневых пар и компрессионных камер с впускными клапанами симметрична. Когда одно днище свободноподвижного цилиндра 9, установленного с возможностью возвратно-поступательного движения и пригнанного к двустороннему поршню 20, находится в положении верхней мертвой точки (В.М.Т.), то другое охлаждаемое днище - в нижней мертвой точке (Н.М.Т.). Цилиндр 9 совершает возвратно-поступательные движения, при которых вследствие перемещения пневмопоршней 6 через фильтры и обратный клапан 2 поступают попеременно заряды атмосферного воздуха в компрессионную камеру 4. Попеременно сжимающийся воздух через впускные клапана 7 поступает в рабочие камеры, осуществляя при этом через окна 12 прямоточную продувку рабочих камер 24. Эффективность продувки повышается благодаря сферически выполненным днищам двустороннего поршня 20 и спрофилированной под нее внутренней рабочей поверхности днища 8 свободноподвижного цилиндра 9. При прохождении одной из цилиндропоршневых пар Н.М.Т. впускной клапан 7 (см. фиг.1) открыт, а форсунки 22 не работают. В камере сгорания 24 открыты выпускные окна 12 и поступающий из компрессионной камеры воздушный заряд с наддувом вытесняет отработавшие выхлопные газы. После закрытия выпускных окон воздух в камере сгорания сжимается, а поток воздуха со стороны компрессионной камеры 4 закручивается, формируясь в вихрь. Топливо подается через форсунку 22 и распыляется ею, смешиваясь с вихрем, образуя гомогенную горючую смесь. Ввиду увеличенного и оптимизированного объема компрессионной камеры 4 воздушный заряд подается с наддувом, что увеличивает топливный заряд и способствует полному дожиганию топлива. Прохождения В.М.Т. и Н.М.Т. в случае проскока самовоспламенения от сжатия и при холостом ходе, а также синхронизации величины нагрузки на двигатель и работы самого двигателя в сборе будет обеспечивать (см.фиг.2) крейцкопфный механизм 34 с шатуном 37, осью 38 и эксцентриком 39, связанным с модулем через штоки 41. После самовоспламенения при обратном ходе поршня с помощью водяной форсунки за 0-18^o до В.М.Т. впрыскивается химически и механически очищенная вода, что способствует увеличению давления в камере сгорания 24 (фиг.1) за счет добавочного парциального давления паров воды, а также способствует экологичности двигателя, так как конденсируясь, вода является хорошим адсорбентом вредных выбросов.

Предлагаемый двигатель преобразует с помощью гидротурбины возвратно-поступательные движения во вращательные через роторные электрогенераторы с постоянными магнитами в виде их якорей и благодаря 4-полюсным электродвигателям на постоянных магнитах, непосредственно связанных с электрогенераторами. Для запуска двигателя имеются силовые обмотки 32, размещенные в пазах цилиндра - корпуса 3, служащие статором, и постоянные магниты 31, служащие ротором соответственно. При пропускании переменного электрического тока эти обмотки служат вибратором запуска. Двигатель изготавливают из алюминия с хромированием рабочих поверхностей цилиндра 9 (фиг.1), днищ поршня 20 и выпускных окон 12. Двигатель является высокооборотным с широким диапазоном форсирования. Он надежен, технологичен, дешев, прост и компактен по конструкции. Обеспечивает экономию топлива. Его можно использовать в транспортной и энергетической отраслях промышленности, кроме того, можно использовать как гибридный электромеханический привод автомобиля.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания. Технический результат - повышение удельной мощности, надежности, топливной экономичности и компактности конструкции. Для достижения указанного результата в двухтактном аксиальном двигателе свободноподвижной цилиндр с прорезями для движения и выпуска отработавших газов образует с двухсторонним поршнем, закрепленным неподвижно на держателе и имеющим выходящие в камеры сгорания топливные и водяные форсунки, а также свечи зажигания, две цилиндропоршневые пары, снабженные гидронасосом. Днища поршня имеют рубашки охлаждения, днища свободноподвижного цилиндра спрофилированы под рабочую поверхность поршня и также имеют водяное охлаждение. Корпуса компрессионных камер выполнены в виде пневмоцилиндра с крышкой и обратным клапаном и снабжены обмоткой статора электрического линейного генератора, подвижные якоря которого установлены в буртиках свободноподвижного цилиндра. Модули цилиндропоршневых пар последовательно соединены штоками через крышки с уплотнениями, при этом синхронизатором, позволяющим свободноподвижным цилиндрам проходить "мертвые точки", служит крейцкопфный механизм. Гидронасос связан с гидротурбиной, которая вращает роторные многополюсные электрогенераторы, которые непосредственно связаны с четырехполюсными электродвигателями, и осуществляют силовой привод через планетарную передачу, линейный генератор служит для привода с помощью соленоида впускного клапана. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Двухтактный аксиальный двигатель, содержащий корпус с торцевыми компрессионными камерами, две противолежащие цилиндро-поршневые пары с выпускными окнами, причем цилиндры установлены с возможностью возвратно-поступательного движения, в днища цилиндро-поршневых пар имеют рубашки охлаждения, топливные форсунки и впускные клапаны, соединяющие компрессорные камеры с рабочими, отличающийся тем, что торцы рабочего цилиндра снабжены буртиком, образующим поршневой пневмокомпрессор, а золотник гидронасоса выполнен в виде эксцентриковой клапанной мембраны с осью, установленной перед всасывающим патрубком на его осевой линии и с седлами, образованными противолежащими стенками всасывающего и нагнетающего патрубков, в свою очередь свободноподвижный цилиндр с прорезями для движения и выпуска отработавших газов образует с двусторонним поршнем, закрепленным неподвижно на держателе и имеющим топливные и водяные форсунки, а также свечи зажигания, выходящие в камеры сгорания, образованные внутренней поверхностью цилиндра, две цилиндропоршневые пары, причем днища поршня имеют рубашки охлаждения, а днища цилиндра, выполненные также охлаждаемыми, имеют буртики на торцах цилиндра и совместно с ними служат пневмопоршнями в торцевых компрессионных камерах, сообщенных через впускные клапана с камерами сгорания для прямоточной продувки, а на корпусах компрессионных камер размещены обмотки статора обратимого электрического линейного генератора, подвижные якоря которого, установленные в буртиках свободноподвижного цилиндра так же, как и диск обратного пневмоклапана на крышке компрессионной камеры и дискообразная пятка впускного клапана рабочей камеры, выполнены из постоянных магнитов на основе Nd-Fe-B, причем диски, расположенные по центральной оси, имеют противоположную направленность намагниченности. 2. Двухтактный аксиальный двигатель по п.1, отличающийся тем, что несколько модулей цилиндропоршневых пар с держателями последовательно соединены штоками через крышки с уплотнениями, при этом свободноподвижные цилиндры сбалансированы крейцкопфным механизмом. 3. Двухтактный аксиальный двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на гидронасосе установлен запаянный гидростатический патрубок с пузырьками воздуха, давление в котором уравновешивает давление жидкости. 4. Двухтактный аксиальный двигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что гидронасос связан с гидротурбиной, которая вращает роторные многополюсные, выполненные на основе постоянных магнитов, электрогенераторы, непосредственно связанные с четырехполюсными электродвигателями, осуществляющими силовой привод через планетарную передачу, а линейный генератор служит для привода с помощью соленоида впускного клапана. 5. Двухтактный аксиальный двигатель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что якорь линейного генератора выполнен из кольцевых концентрических постоянных магнитов на основе Nd-Fe-B, а электрические обмотки статора также имеют вид концентрических кольцевых соленоидов, размещенных в пазах между магнитами.