ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С КОЛЬЦЕВЫМ ПОРШНЕМ И ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ВАЛ ТАКОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2015 года по МПК F02B71/00 F01P3/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. В частности, настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с кольцевым поршнем. Конкретнее, изобретение относится к получению механической энергии посредственно от расходования химической энергии топлива, сжигаемого в кольцевой камере сгорания, причем подвижный кольцевой поршень охлаждают в прямом и непрерывном контакте с поверхностью подвижного поршня на всем протяжении тактов всасывания, сжатия, расширения и выпуска, а еще более конкретно, изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, описанному в патенте США 7,905,221 В2, выданном 03/05/2011, на двигатель внутреннего сгорания.

Уровень техники

Двигатели внутреннего сгорания с кольцевым поршнем известны из указанного выше патента США 7,905,221 В2, в которой раскрывается двигатель внутреннего сгорания, содержащий по существу цилиндрическую воздушную камеру с круговой внутренней стенкой и существенно круглой верхней внутренней стенкой. Двигатель имеет кольцевую камеру сгорания, имеющую существенно кольцеобразную поверхность внутренней стенки, по существу концентрическую с цилиндрической воздушной камерой и существенно кольцеобразную поверхность наружной стенки, существенно концентрическую с цилиндрической воздушной камерой. Двигатель также содержит предкамеру фиксированного объема, сообщающуюся по текучей среде с кольцевой камерой сгорания, а также существенно цилиндрический поршень, содержащий поверхность, выполненную в размерном соответствии для посадки внутрь существенно цилиндрической воздушной камеры. Двигатель также содержит узел зумпфа подачи воздуха, сообщающийся с компрессионной камерой, выполненной с возможностью получения из него сжатого воздуха. Ссылка для ознакомления с детальным описанием уровня техники двигателей внутреннего сгорания сделана на вышеуказанный патент США 7,905,221 В2 без воспроизведения его здесь.

Известным фактом является производство значительного количества тепла сгоранием в стенке кольцевой камеры сгорания. В известном двигателе внутреннего сгорания с кольцевым поршнем отвод тепла для охлаждения стенки цилиндра выполняют устройством каналов охлаждения в блоке цилиндров.

Раскрытие изобретения

Соответственно, задача настоящего изобретения состоит в дальнейшем улучшении охлаждения двигателя внутреннего сгорания с кольцевым поршнем. Частной целью является обеспечение эффективного охлаждения кольцевого поршня такого двигателя.

Цель изобретения достигается предложением обладающего новизной центрального вала для двигателя внутреннего сгорания с кольцевым поршнем. Центральный вал выполнен с возможностью скользящей посадки, по меньшей мере, частично внутрь центральной камеры подвижного кольцевого поршня. Центральный вал содержит, по меньшей мере, один канал для протекания текучей среды к центральной камере поршня.

Задача изобретения решается за счет того, что центральный вал содержит формирующую кольцевой канал часть, имеющую средства обеспечения кольцевого канала между центральным валом и окружающим поршнем, причем кольцевой канал соединяет впускной и выпускной каналы.

Центральный вал предпочтительно выполнен с возможностью прикрепления к блоку цилиндров двигателя.

Центральный вал предпочтительно содержит входную часть для канализированного направления потока текучей среды вовнутрь камеры поршня и выходную часть для канализированного направления данного потока текучей среды наружу из камеры поршня.

Входная и выходная части предпочтительно содержат высверленные отверстия для создания впускного и выпускного каналов.

Впускной и выпускной каналы предпочтительно соединены с кольцевым каналом радиальными отверстиями, например, высверленными отверстиями.

Центральный вал предпочтительно содержит средства обеспечения непроницаемого для текучей среды уплотнения между стационарным центральным валом и окружающим кольцевым поршнем для удержания охлаждающей жидкости в кольцевом канале.

Указанные средства предпочтительно содержат два самосмазывающихся графитовых уплотнения для сопряжения с окружающим поршнем.

Указанные уплотнения предпочтительно выполнены с возможностью закрывания обоих концов кольцевого канала.

Формирующая кольцевой канал часть предпочтительно расположена между входной и выходной частями, причем три части образуют три линейных секции, по меньшей мере, с двумя различающимися диаметрами и по существу кольцеобразными наружными стенками, причем срединная секция имеет наименьший диаметр, а канал проходит аксиально сквозь обе крайние секции, достигая начала меньшей по диаметру срединной секции, радиальный канал в конце впускного и выпускного каналов сообщается с концами кольцевого канала для проникновения сквозь наружную поверхность меньшей по диаметру срединной секции, а два самосмазывающихся графитовых уплотнения вмонтированы в имеющие больший диаметр крайние секции непосредственно перед началом меньшей по размеру срединной секцией, оставляя открытыми радиальные каналы и выполненные в размерном соответствии для возможности непроницаемой для жидкости посадки внутрь по существу кольцеобразной поверхности внутренней стенки подвижного двустороннего действия кольцевого поршня двигателя внутреннего сгорания.

Впускной и выпускной каналы могут быть выполнены в виде параллельных каналов, аксиально проходящих внутри центрального вала.

Центральный вал может содержать два канала, аксиально проходящих сквозь одну и ту же крайнюю секцию вала таким образом, что один канал достигает начала наименьшей по диаметру секции, а другой канал достигает конца наименьшей по диаметру секции; радиальный канал в конце обоих указанных аксиальных каналов для сообщения с наружной поверхностью наименьшей по диаметру секции; два самосмазывающихся графитовых уплотнения, вмонтированных в имеющие больший диаметр крайние секции непосредственно перед обоими концами меньшей по диаметру секции, оставляющие открытыми радиальные каналы, и выполненных в размерном соответствии для возможности непроницаемой для текучей среды посадки внутри по существу кольцеобразной поверхности внутренней стенки подвижного двустороннего действия кольцевого поршня двигателя внутреннего сгорания.

Указанные каналы предпочтительно формируют канал охлаждения, выполненный с возможностью нести охлаждающую текучую среду для омывания окружающего поршня.

Центральный вал предпочтительно содержит впускной и выпускной каналы для передачи текучей среды в компрессионную камеру, ограниченную торцом центрального вала и внутренней поверхностью закрытой цилиндрической поршневой головки.

Впускной и выпускной каналы, предназначенные для передачи текучей среды, предпочтительно образованы аксиально высверленным в центральном валу сквозным отверстием, образующим канал втекания воздуха, газа или жидкости во внутреннюю компрессионную камеру, образованную между концевой поверхностью центрального вала и внутренней поверхностью цилиндрической поршневой головки, и другим аксиально высверленным в водоохлаждаемом центральном валу сквозным отверстием, образующим канал вытекания воздуха, газа или жидкости из внутренней компрессионной камеры, образованной между концевой поверхностью центрального вала и внутренней поверхностью цилиндрической поршневой головки.

Центральный вал предпочтительно содержит средства управления направлением потоков находящейся в компрессионной камере текучей среды внутрь впускного канала и наружу из выпускного канала.

Указанные средства предпочтительно выполнены в виде седельных тарельчатых или обратных клапанов.

Центральная камера поршня предпочтительно представляет собой сквозное отверстие.

С другой стороны, цель достигается предложением обладающего новизной двигателя внутреннего сгорания, содержащего блок цилиндров, по меньшей мере, с одной кольцевой камерой сгорания, и кольцевого поршня с центральной камерой. Кольцевой поршень двигателя выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения в камере сгорания. Двигатель внутреннего сгорания также содержит центральный вал, прикрепленный к блоку цилиндров и выполненный с возможностью посадки, по меньшей мере, частично внутри центральной камеры кольцевого поршня. Центральный вал содержит, по меньшей мере, один канал для направления текучей среды внутрь и наружу центральной камеры кольцевого поршня.

Задача изобретения также решается за счет того, что центральный вал содержит формирующую кольцевой канал часть, имеющую средства обеспечения кольцевого канала между центральным валом и окружающим поршнем, причем кольцевой канал соединяет впускной и выпускной каналы.

Настоящее изобретение позволяет достичь значительных преимуществ. Прежде всего, поршень можно охлаждать потоком текучей среды, созданным внутри поршня. Так как охлаждается как кожух вокруг поршня, так и все стороны кольцевой камеры сгорания, эти преобладающие условия создают возможность работы поршня, уплотнений и камеры сгорания при невысокой температуре, обычно составляющей от 200 до 300°F вместо обычной температуры 500-600°F. В камере сгорания можно использовать значительно более высокую степень сжатия и температуру горения, результатом чего является повышенная топливная экономичность и более чистые отработавшие газы. Более низкое тепловое расширение создает возможность очень плотно подгонять друг к другу охлаждаемые подвижные и стационарные поверхности. Становится целесообразным применение даже бесщелевых (бесконтактных) самосмазывающихся графитовых уплотнений.

Краткое описание графических материалов

Далее по тексту некоторые из вариантов осуществления изобретения описаны подробнее со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

ФИГ. 1 изображает вид в продольном разрезе собранного устройства по первому варианту осуществления изобретения;

ФИГ. 2 схематически изображает основные компоненты первого варианта осуществления устройства по настоящему изобретению на двух видах в сборе;

ФИГ. 3 схематически изображает собранное устройство по первому варианту осуществления настоящего изобретения на трех различных этапах работы;

ФИГ. 4 схематически изображает основные компоненты устройства по второму и третьему вариантам осуществления настоящего изобретения;

ФИГ. 5 схематически изображает основные компоненты устройства по четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Далее по тесту описываются четыре основные варианта осуществления настоящего изобретения с первоочередным описанием главных компонентов устройства по первому варианту осуществления двигателя внутреннего сгорания, отличающегося наличием охлаждаемого жидкостью кольцевого поршня и связанного с линейным генератором. После описания примера осуществления следует общее описание его работы. Другие варианты осуществления настоящего изобретения описаны в виде линейного компрессора, линейного вытеснительного насоса и механического генератора крутящего момента.

Описание первого варианта осуществления изобретения

На ФИГ. 1 изображен продольный разрез собранного устройства 10 согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на ФИГ. 2, схематически изображающей основные компоненты первого варианта осуществления устройства по настоящему изобретению, устройство 10 содержит стационарный - предпочтительно водоохлаждаемый центральный вал 20, стационарный - и также предпочтительно водоохлаждаемый - блок 30 цилиндров двигателя, подвижный двустороннего действия кольцевой поршень 40, стационарный и предпочтительно водоохлаждаемый блок 50 кольцевой камеры сгорания, стационарный и предпочтительно водоохлаждаемый блок 60 головки блока цилиндров двигателя, и узел 70 кольцевого подвижного двустороннего действия постоянного многокольцевого NdFeB магнита. Устройство 10 сконструировано в качестве модуля обычного двигателя внутреннего сгорания, в котором применен кольцевой поршень и который может быть оснащен обладающей новизной сборочной единицей согласно описанным здесь вариантам осуществления или в целом как изложено в прилагаемой формуле изобретения.

Согласно иллюстрации ФИГ. 2, стационарный водоохлаждаемый центральный вал 20 устройства 10 высверлен для создания впускной трубки 22 охлаждающей жидкости с внутренней резьбой 21 для присоединения средства подачи охлаждающей жидкости. То есть центральный вал 20 содержит входную часть. В данном контексте термин водоохлаждаемый следует понимать как относящийся к жидкостному охлаждению, в целом известному в данной области техники как водяное охлаждение. В конце входной части центральный вал содержит часть, формирующую кольцевой канал. Указанный конец впускной трубки 22 охлаждающей жидкости, то есть выходной конец центрального вала содержит радиальные отверстия 23, служащие для пропуска охлаждающей жидкости наружу в кольцевой канал 12, образованный между водоохлаждаемым центральным валом 20 и окружающим его подвижным двустороннего действия кольцевым поршнем 40, как видно на ФИГ. 1, где устройство показано в собранном виде. На конце, противоположном входной части, формирующая кольцевой канал часть имеет выходную часть. Фланцевый опорный конец 24 выходной части водоохлаждаемого центрального вала 20 также высверлен для создания выпускной трубки 26 охлаждающей жидкости. Данный конец формирующей кольцевой канал части имеет радиальные отверстия 25 для пропуска охлаждающей жидкости наружу из кольцевого канала 12 между водоохлаждаемым центральным валом 20 и подвижным двустороннего действия кольцевым поршнем 40 в выпускную трубку 26 охлаждающей жидкости. На фланцевом опорном конце 24 водоохлаждаемого центрального вала 20 имеется внутренняя резьба 27 для присоединения средств удаления охлаждающей жидкости из выпускной трубки 26 охлаждающей жидкости.

Центральный вал 20 выполнен с возможностью герметичной установки в кольцевой поршень 40. По наиболее предпочтительному варианту осуществления изобретения, водоохлаждаемый центральный вал 20 имеет два самосмазывающихся GraphAlloy уплотнения 20 для создания непроницаемого для жидкости и газа уплотнения между стационарным водоохлаждаемым центральным валом 20 и подвижным двустороннего действия кольцевым поршнем 40 с целью удержания охлаждающей жидкости в кольцевом канале 12.

Как изображено на ФИГ. 1 и ФИГ. 2, стационарный водоохлаждаемый блок цилиндров 30 собран на стационарном водоохлаждаемом центральном валу 20 устройства 10 в упор к фланцевому опорному концу 24. Стационарный водоохлаждаемый блок 30 цилиндров двигателя содержит кольцевую камеру 32 охлаждающей жидкости и одну или несколько имеющих фиксированный объем предкамер и камер 34 подачи воздуха горения избыточного давления, совмещенных с отверстиями под топливную форсунку или свечу зажигания как подробнее описано в патенте США 7,905,221 В2.

Как изображено на ФИГ. 1 и ФИГ. 2, подвижный двустороннего действия кольцевой поршень 40 собран поверх стационарного водоохлаждаемого центрального вала 20 устройства 10 и внутри стационарного водоохлаждаемого блока 30 цилиндров двигателя. Подвижный двустороннего действия кольцевой поршень 40 содержит цилиндрическую секцию 42 поршневой трубки, выполненную в размерном соответствии для посадки поверх цилиндрического водоохлаждаемого центрального вала 20, кольцевидную секцию 44 поршня, выступающую радиально наружу от цилиндрической секции 42 поршневой трубки, выполненной в размерном соответствии для посадки внутрь стационарного водоохлаждаемого блока 50 кольцевой камеры сгорания. Такой поршень известен в данной области техники как кольцевой поршень из патента США 7,905,221 В2. Центральная камера, таким образом, ограничивается секцией 42 поршневой трубки полого кольцевого поршня 40. Ближний к головке блока цилиндров конец 41 цилиндрической секции 42 поршневой трубки, противоположный ближнему к блоку цилиндров концу 43 внутри стационарного водоохлаждаемого блока 30 цилиндров имеет средство прикрепления его к узлу 70 подвижного двустороннего кольцевого постоянного магнита, который раскрывается в описании первого варианта осуществления настоящего изобретения. Как будет описано ниже, кинетическую энергию поршня 40 можно использовать также в виде механического движения и передавать, например, на коленчатый вал.

Поршень выполнен плотно подвижно входящим в блок цилиндров. Предпочтительно имеются два GraphAlloy уплотнения 46, формирующих газонепроницаемое бесщелевое (бесконтактное) уплотнение между цилиндрической секцией 42 поршневой трубки, стационарным водоохлаждаемым блоком 60 головки блока цилиндров и стационарным водоохлаждаемым блоком 30 цилиндров для удержания сжатого воздуха и газов сгорания в главной и переменной по длине кольцевой камере 49 сгорания, сформированной между подвижным двустороннего действия кольцевым поршнем 40 и стационарным водоохлаждаемым кольцевым блоком 50 камеры сгорания. Блок 50 камеры сгорания может быть отдельной сборочной единицей или неотъемлемой частью блока 30 цилиндров двигателя или блока 60 головки цилиндров двигателя. В кольцевидной секции 44 поршня используется одно или несколько GraphAlloy уплотнений 48 для отделения газов сгорания газонепроницаемым образом от сжатого воздуха на противоположных концах кольцевидной секции 44 поршня внутри переменной по длине кольцевой камеры 49 сгорания.

Здесь особо отмечается, что под термином «GraphAlloy» подразумевается используемое в данной области техники общее наименование самосмазывающихся металлографитовых уплотнений и не понимается какая-либо торговая марка какого-либо конкретного изготовителя.

Согласно ФИГ. 1 и ФИГ. 2, стационарный водоохлаждаемый кольцевой блок 50 камеры сгорания выполнен в размерном соответствии для посадки поверх подвижного двустороннего действия кольцевого поршня 40 устройства 10 в упор к стационарному водоохлаждаемому блоку 30 цилиндров. В середине стационарного водоохлаждаемого кольцевого блока 50 камеры сгорания имеется один или несколько выпускных портов 52 для выпуска и удаления газов сгорания из кольцевой камеры сгорания 49 на тактах расширения двигателя внутреннего сгорания кольцевого типа.

Согласно ФИГ. 1 и ФИГ. 2, стационарный водоохлаждаемый блок 60 головки блока цилиндров двигателя выполнен в размерном соответствии для посадки поверх подвижного двустороннего действия кольцевого поршня 40 устройства 10 в упор к стационарному водоохлаждаемому кольцевому блоку 50 камеры сгорания. Стационарный водоохлаждаемый блок 60 головки блока цилиндров двигателя содержит кольцевую камеру 62 охлаждающей жидкости и одну или несколько имеющих фиксированный объем предкамер и камер 34 подачи воздуха горения, совмещенных с отверстиями под топливную форсунку или свечу зажигания как подробнее описано в патенте США 7,905,221 В2.

Внутри цилиндрического корпуса 66 блока 60 головки блока цилиндров имеется предназначенный для создания магнитного поля многокатушечный статор 68, который перемещается линейно без вращения. Катушки возбуждаются таким образом, что область магнитного поля движется синхронно с узлом 70 подвижного двустороннего действия кольцевого постоянного магнита для создания электрического тока.

Как показано на ФИГ. 1 и ФИГ. 2, узел 70 подвижного двустороннего действия многокольцевого постоянного NdFeB магнита выполнен в размерном соответствии для посадки внутри цилиндрического корпуса 66 и многокатушечного статора 68 в стационарном водоохлаждаемом блоке 60 головки блока цилиндров. Внутри узла 70 подвижного двустороннего действия кольцевого постоянного магнита имеется фланец 72, служащий для удобства прикрепления узла 70 постоянного магнита к концу 41 подвижного двустороннего действия кольцевого поршня 40. Фланец 72 имеет перфорированные отверстия для того, чтобы воздух мог перемещаться внутрь и наружу переменной по размеру кольцевой камеры 74, образованной между стационарным водоохлаждаемым блоком 60 головки двигателя и узлом 70 подвижного двустороннего действия кольцевого магнита. Дополнительное охлаждение переменной по размеру кольцевой камеры 74 также обеспечивается потоком воздуха.

Для присоединения и скрепления вместе стационарных компонентов настоящего изобретения используются стяжные стержни или другие обычные средства.

Обычные средства используются на многокатушечном статоре 68 в стационарном водоохлаждаемом блоке 60 головки двигателя для создания магнитного поля, которое перемещается линейно, не вращаясь. Катушки возбуждаются таким образом, что область магнитного поля движется синхронно с узлом 70 подвижного двустороннего действия кольцевого постоянного магнита для создания электрического тока. Катушки подключены к инверторам, преобразующим выход генератора в постоянный ток. Инверторы управляются системой цифровой обработки сигналов, обеспечивающей максимальную эффективность преобразования мощности.

При запуске двигателя внутреннего сгорания с кольцевым поршнем и жидкостным охлаждением узел линейного генератора действует как линейный стартерный электродвигатель. Так как двигатель внутреннего сгорания с кольцевым поршнем вырабатывает значительное количество сжатого воздуха, то двигатель также можно запускать, используя этот воздух. А именно, двигатель можно запускать, принудительно прокручивая его воздухом и топливом, подаваемыми в камеру сгорания из резервуаров топлива и сжатого воздуха (не показаны).

Кольцевой поршень с жидкостным охлаждением

Для обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости через стационарный водоохлаждаемый центральный вал 20 используют обычные средства. При протекании охлаждающей жидкости по кольцевому каналу 12, охлаждающая жидкость постоянно и непосредственно соприкасается в нем с внутренней цилиндрической поверхностью подвижного двустороннего действия кольцевого поршня 40.

Так как и кожух вокруг цилиндрической секции 42 поршневой трубки, и все стороны кольцевой камеры сгорания 49 также являются водоохлаждаемыми, эти преобладающие условия создают возможность для работы поршня, уплотнений и стенок камеры сгорания при небольшой, обычно составляющей от 200 до 300°F температуре, вместо обычной температуры, составляющей от 500 до 600°F. В камере сгорания можно применять гораздо более высокие степень сжатия и температуру сгорания, результатом чего является повышенная экономия топлива и более чистые отработавшие газы. Меньшее тепловое расширение создает возможность до минимума уменьшать зазоры между охлаждаемыми подвижными и стационарными поверхностями. Становится целесообразным применение даже бесщелевых (бесконтактных) самосмазывающихся графитовых уплотнений.

Несмотря на то, что в данном первом варианте осуществления настоящего изобретения впуск и выпуск охлаждающей жидкости производится на противоположных концах стационарного водоохлаждаемого центрального вала 20, также можно использовать путь циркуляции охлаждающей жидкости, показанный в следующих вариантах осуществления настоящего изобретения, в которых порты впуска и выпуска охлаждающей жидкости находятся на одном и том же конце в стационарном водоохлаждаемом центральном валу 20.

Кольцевой двигатель внутреннего сгорания

На ФИГ. 3 схематически показано собранное устройство по первому варианту осуществления настоящего изобретения на трех различных стадиях работы.

Показанный слева под Разрезом А-А продольный разрез устройства в сборе изображает подвижный двустороннего действия кольцевой поршень 40 в крайнем задвинутом положении, в котором через порт 63а подачи воздуха горения избыточного давления происходит продувка отработавшего газа и всасывание воздуха горения, а через порт 65а впрыска топлива в предкамере 64 фиксированного объема подается топливо в воздух горения в конце хода сжатия вверх для начала следующего цикла расширения.

Показанный в центре под Разрезом В-В продольный разрез устройства в сборе изображает подвижный двустороннего действия кольцевой поршень 40 в среднем положении рабочего хода, когда он блокирует выхлопные выпускные порты 52 в середине стационарной водоохлаждаемой кольцевой камеры сгорания 50. Расширяющимися газами сгорания 50а над кольцевым поршнем 40 запускается такт расширения, а под кольцевым поршнем 40 сжимается свежий воздух 50b горения.

Показанный справа под Разрезом С-С продольный разрез устройства в сборе изображает подвижный двустороннего действия кольцевой поршень 40 в крайнем выдвинутом положении, в котором через порт 63b подачи воздуха горения избыточного давления происходит продувка отработавшего газа и всасывание воздуха горения, а через порт 65b впрыска топлива в предкамере 64 фиксированного объема подается топливо в воздух горения в конце хода сжатия вниз для начала следующего цикла расширения.

Использованное в первом варианте осуществления настоящего изобретения подробное описание работы кольцевого двигателя приведено в патенте США 7,905,221 В2.

Анализ выбросов

Так как охлаждаемый жидкостью поршень создает возможность работы с более низкой температурой внутренней поверхности, более высокой степенью сжатия и, следовательно, с более высокой температурой сгорания, далее по тексту с небольшими изменениями воспроизводится параграф АНАЛИЗ ВЫБРОСОВ патента США 7,905,221 В2.

Одной из предпочтительных особенностей, отличительных для устройства по настоящему изобретению, является высокий термический к.п.д. и практически отсутствие выбросов оксида углерода, углеводорода или оксида азота за счет применения охлаждаемого жидкостью кольцевого поршня, высокой степени сжатия и практически нулевых зазоров уплотнений в сочетании со сдвоенными камерами сгорания фиксированного объема. Предкамера получает богатую топливовоздушную смесь, а находящаяся под избыточным давлением кольцевая камера воздуха сгорания заполняется очень бедной смесью или вообще не содержит топлива. Богатая смесь воспламеняет бедную основную смесь. Результирующая пиковая температура достаточно низка для подавления образования оксидов азота, а средняя температура достаточно высока для ограничения выбросов моноксида углерода и углеводорода. Качество топливовоздушной смеси изменяется от богатого в предкамере до бедного в кольцевой камере сгорания.

Большая часть выбросов оксида азота порождается именно пиковой температурой, наблюдающейся на верхушке передней границы пламени; выбросы оксида азота тем меньше чем меньше пиковые температуры. Когда поршень быстро удаляется от границы пламени, он порождает эффект охлаждения, результатом которого становятся более низкие пиковые температуры и более низкие выбросы оксида азота. Широко известен тот факт, что к.п.д. полноты сгорания можно повысить, работая на обедненных смесях с соотношением воздух-топливо значительно выше 14,5 к 1.

Кольцевая форма камеры сгорания в сочетании с тангенциальным входом границы пламени как из предкамеры, так и из находящейся под избыточным давлением камеры подачи воздуха горения порождают сильную турбулентность, приводящую к чрезвычайно высокой скорости сгорания (к быстрому горению). Скорость сгорания является временем, требующимся для полного сгорания захваченной топливовоздушной смеси.

Скорость сгорания является обладающим большим весом коэффициентом к.п.д. двигателя.

Описание второго варианта осуществления изобретения На ФИГ. 4 изображен вид в продольном разрезе собранного устройства 10b по второму варианту осуществления настоящего изобретения. Устройство 10b содержит стационарный водоохлаждаемый центральный вал 120, стационарный водоохлаждаемый блок 130 цилиндров, подвижный двустороннего действия кольцевой поршень 140, стационарный водоохлаждаемый кольцевой блок 150 камеры сгорания, стационарный водоохлаждаемый блок 160 головки блока цилиндров, стационарную компрессионную камеру 170 и крышку 180 головки компрессионной камеры. В отличие от первого варианта осуществления, один конец поршня 140 закрывается поршневой головкой 147 для того, чтобы поршень 140 был пригоден в качестве сжимающего поршня для производства сжатого воздуха. Соответственно, между подвижной поршневой головкой 147 и торцом 193 стационарного центрального вала 120 формируется первая цилиндрическая компрессионная камера 194 переменного объема.

Как изображено на ФИГ. 4, фланцевый опорный конец 124 стационарного водоохлаждаемого центрального вала 120 устройства 10b высверлен для создания впускной трубки 122 охлаждающей жидкости с внутренней резьбой 121 для присоединения к средству подачи охлаждающей жидкости. Другой конец впускной трубки 122 охлаждающей жидкости имеет радиальный канал 123 для пропуска охлаждающей жидкости во входной конец кольцевого канала 112, образованного между водоохлаждаемым центральным валом 120 и подвижным двустороннего действия кольцевым поршнем 140, как показано на Разрезе А-А на Фиг. 4. Другой канал высверлен в стационарном водоохлаждаемом центральном валу 120 для создания выпускной трубки 126 охлаждающей жидкости с внутренней резьбой 125 для присоединения к средству удаления охлаждающей жидкости из выпускной трубки 126 охлаждающей жидкости. Другой конец выпускной трубки 126 охлаждающей жидкости имеет радиальный канал 127 для пропуска потока охлаждающей жидкости внутрь из конечной части кольцевого канала 112, образованного между водоохлаждаемым центральным валом 120 и подвижным двустороннего действия кольцевым поршнем 140, как показано на Разрезе А-А ФИГ. 4. Таким образом, во втором варианте осуществления изобретения, входная и выходная части центрального вала совмещены, так как они имеют впускную и выпускную трубки, идущие параллельно в кольцевой канал 112 и из него.

Как изображено на Разрезе В-В ФИГ. 4, в стационарном водоохлаждаемом центральном валу 120 устройства 10b также высверлено отверстие для создания воздуховпускной трубки 192 с обычными средствами присоединения ее к источнику подачи чистого воздуха. Воздуховпускная трубка 192 проходит от начала до конца по всей длине стационарного центрального вала 120 до внутренней компрессионной камеры 194, образованной между внутренним конец 193 стационарного центрального вала 120, противоположным фланцевому опорному концу 124, и внутренней поверхностью 195 компрессионной поршневой головки 147. Для того чтобы воздух попадал внутрь компрессионной камеры 194 только на такте всасывания, в указанном торце 193 воздуховпускной трубки 192 имеется обратный клапан.

Как изображено на Разрезе В-В ФИГ. 4, в стационарном водоохлаждаемом центральном валу 120 устройства 10b также высверлено отверстие для создания воздуховыпускной трубки 196 для сжатого воздуха с обычными средствами соединения ее с аккумулятором сжатого воздуха или другими воздухоприемными устройствами. Воздуховыпускная трубка 196 для сжатого воздуха проходит от начала до конца по всей длине стационарного центрального вала 120 от внутренней компрессионной камеры 194 до фланцевого опорного конца 124 стационарного центрального вала. Для того чтобы воздух мог выходить из компрессионной камеры 194 только на такте сжатия, во внутреннем конце 197 воздуховыпускной трубки 196 имеется обратный клапан.

Водоохлаждаемый центральный вал 120 снабжен двумя самосмазывающимися GraphAlloy уплотнениями 128 для создания непроницаемого для жидкости и газа уплотнения между стационарным водоохлаждаемым центральным валом 120 и подвижным двустороннего действия кольцевым поршнем 140 с целью удержания охлаждающей жидкости в кольцевом канале 112.

Как показано на ФИГ. 4, стационарный водоохлаждаемый блок 130 цилиндров двигателя собран поверх стационарного водоохлаждаемого центрального вала 120 устройства 10b в упор к фланцевому опорному концу 124. Стационарный водоохлаждаемый блок 130 цилиндров двигателя содержит кольцевую камеру 132 охлаждающей жидкости и одну или несколько имеющих фиксированный объем предкамер и камер 34 подачи воздуха горения избыточного давления, совмещенных с отверстиями под топливную форсунку или свечу зажигания как подробнее описано в патенте США 7,905,221 В2.

Как показано на ФИГ. 4, подвижный двустороннего действия кольцевой поршень 140 собран поверх стационарного водоохлаждаемого центрального вала 120 устройства 10b, находясь внутри стационарного водоохлаждаемого блока 130 цилиндров двигателя. Подвижный двустороннего действия кольцевой поршень 140 содержит цилиндрическую секцию 142 поршневой трубки, выполненной в размерном соответствии для посадки поверх цилиндрического водоохлаждаемого центрального вала 120, кольцевидную секцию 144 поршня, выступающую наружу из цилиндрической секции 142 поршневой трубки, выполненной в размерном соответствии для посадки внутри стационарной водоохлаждаемой кольцевой камеры 150 сгорания. Конец 141 цилиндрической секции 142 поршневой трубки, противоположный концу 143 внутри стационарного водоохлаждаемого блока 130 цилиндров двигателя закрыт с целью формирования компрессионной поршневой головки 147 данного второго варианта осуществления настоящего изобретения. Имеются два GraphAlloy уплотнения 146 для образования газонепроницаемого бесщелевого (бесконтактного) уплотнения между цилиндрической секцией 142 поршневой трубки, стационарным водоохлаждаемым блоком 160 головки блока цилиндров двигателя и стационарным водоохлаждаемым блоком 130 блоком цилиндров двигателя для удержания сжатого воздуха и газов сгорания в основной и переменной длины кольцевой камере 149 сгорания, образованной между подвижным двустороннего действия кольцевым поршнем 140 и стационарным водоохлаждаемым кольцевым блоком 150 камеры сгорания. В кольцевидной секции 144 поршня используется одно или несколько уплотнений GraphAlloy для газонепроницаемого отсечения газов сгорания от сжатого воздуха на противоположных сторонах кольцевидной поршневой секции 144 внутри переменной подлине кольцевой камеры сгорания 149.

Особо отмечается, что под термином «GraphAlloy» здесь подразумевается используемое в данной области техники общее наименование самосмазывающихся металлографитовых уплотнений и не понимается какая-либо торговая марка какого-либо конкретного изготовителя.

Так как описания стационарного водоохлаждаемого кольцевого блока 150 камеры сгорания и стационарного водоохлаждаемого блока 160 головки блока цилиндров принципиально не отличаются от описанных выше для первого варианта осуществления настоящего изобретения, этот текст здесь не повторяется.

Как изображено на Разрезе В-В ФИГ. 4, стационарная водоохлаждаемая компрессионная камера 170, крышка 180 головки компрессионной камеры и головка 147 компрессионного поршня образуют вторую (наружную) компрессионную камеру 182. Для того чтобы воздух мог попадать во вторую наружную компрессионную камеру 182 только на такте всасывания, в крышке 180 головки компрессионной камеры имеется обратный клапан. Еще один обратный клапан 186 имеется в крышке 180 головки компрессионной камеры для того, чтобы сжатый воздух мог выходить из второй наружной компрессионной камеры 182 на такте сжатия.

Для скрепления стационарных компонентов настоящего изобретения в осевом направлении используют тяги или другие обычные средства.

Работа устройства 10b по второму варианту осуществления настоящего изобретения аналогична работе, описанной выше для первого варианта осуществления, и по этой причине не будет повторяться здесь.

Следует понимать, что ссылка на использование второго варианта осуществления в качестве компрессора воздуха также относится и к сжатию газообразной или жидкой среды любого другого типа.

Согласно еще одному варианту осуществления, представленный на ФИГ. 4 вариант осуществления можно изменить для производства как сжатого воздуха, так и вращательного движения для передачи, к примеру, на коленчатый вал. Удалив крышку 180 головки компрессионной камеры, то есть, демонтировав вторую компрессионную камеру 182, поршень 140, а точнее, поршневую головку 147 можно снабдить шатуном (не показан) для передачи кинетической энергии на коленчатый вал (не показан). В таком варианте осуществления сжатый воздух будет производиться только первой компрессионной камерой 194, которая также будет вырабатывать традиционное вращательное движение для приведения в действие трансмиссии автомобиля. Данное частное осуществление будет особенно целесообразно к реализации при работе на некотором числе поршней в многоцилиндровой компоновке, отличающейся выравниванием вариаций давления, создающихся в картере.

Описание третьего варианта осуществления изобретения Устройство по третьему варианту осуществления настоящего изобретения (не показано) принципиально содержит те же самые компоненты, что и устройство по второму варианту за исключением того, что устройство используется как линейный вытеснительный насос для создания давления в жидкостях и перемещения жидкостей.

Общее описание устройства третьего варианта осуществления настоящего изобретения принципиально не отличается от описания второго варианта осуществления за исключением того, что устройство используется как линейный вытеснительный насос для создания давления в жидкостях и перемещения жидкостей.

Описание четвертого варианта осуществления изобретения На ФИГ. 5 изображен вид в продольном разрезе собранного устройства 10d по четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. Устройство 10d содержит стационарный водоохлаждаемый центральный вал 220, стационарный водоохлаждаемый блок 230 цилиндров двигателя, подвижный двустороннего действия кольцевой поршень 240, стационарный водоохлаждаемый кольцевой блок 250 камеры сгорания, стационарный водоохлаждаемый блок 260 головки блока цилиндров, стационарный водоохлаждаемый блок 270 цилиндров двигателя и обычно применяемый узел 280 коленчатого вала.

Как видно из ФИГ. 5, во фланцевом опорном конце 224 основания стационарного водоохлаждаемого центрального вала 220 устройства 10d высверлено отверстие для создания впускной трубки 222 охлаждающей жидкости с внутренней резьбой 221 для присоединения к средству подачи охлаждающей жидкости. На другом конце впускной трубки охлаждающей жидкости 222 имеется радиальный канал 223 для пропуска охлаждающей жидкости во вход кольцевого канала 212, образованного между водоохлаждаемым центральным валом 220 и подвижным двустороннего действия кольцевым поршнем 240, что показано на Разрезе А-А ФИГ. 5. Другой канал высверлен в стационарном водоохлаждаемом центральном валу 220 для создания выпускной трубки 226 охлаждающей жидкости с внутренней резьбой 225 для присоединения к средству удаления охлаждающей жидкости из выпускной трубки 226 охлаждающей жидкости. На другом конце выпускной трубки 226 охлаждающей жидкости имеется радиальный канал 227 для пропуска потока охлаждающей жидкости из выхода кольцевого канала 212, образованного между водоохлаждаемым центральным валом 220 и подвижным двустороннего действия кольцевым поршнем 240 как показано на Разрезе А-А ФИГ. 5.

Водоохлаждаемый центральный вал 220 снабжен двумя самосмазывающимися GraphAlloy уплотнениями 228 для создания непроницаемого для жидкости и газа уплотнения между стационарным водоохлаждаемым центральным валом 220 и подвижным двустороннего действия кольцевым поршнем 240 с целью удержания охлаждающей жидкости в кольцевом канале 212.

Как показано на ФИГ. 5, стационарный водоохлаждаемый блок 230 цилиндров двигателя собран поверх стационарного водоохлаждаемого центрального вала 220 устройства 10d в упор к фланцевому опорному концу 224. Стационарный водоохлаждаемый блок 230 цилиндров двигателя содержит кольцевую камеру 232 охлаждающей жидкости и одну или несколько имеющих фиксированный объем предкамер и камер 234 подачи воздуха горения избыточного давления, совмещенных с отверстием под топливную форсунку или свечу зажигания как подробнее описано в патенте США 7,905,221 В2.

Как показано на ФИГ. 5, подвижный двустороннего действия кольцевой поршень 240 собран поверх стационарного водоохлаждаемого центрального вала 220 устройства 10d, находясь внутри стационарного водоохлаждаемого блока 230 цилиндров двигателя. Подвижный двустороннего действия кольцевой поршень 240 содержит цилиндрическую секцию 242 поршневой трубки, выполненную в размерном соответствии для посадки поверх цилиндрического водоохлаждаемого центрального вала 220, кольцевидную секцию 244 поршня, выступающую наружу из цилиндрической секции 242 поршневой трубки, выполненной в размерном соответствии для посадки внутри стационарной водоохлаждаемой кольцевой камеры 250 сгорания. Конец 241 цилиндрической секции 242 поршневой трубки, противоположный концу 243 внутри стационарного водоохлаждаемого блока 230 цилиндров двигателя закрыт с целью формирования компрессионной поршневой головки 247 данного четвертого варианта осуществления настоящего изобретения.

Поршневая головка 247 имеет перфорированные отверстия 284 для прохождения воздуха при движении подвижного двустороннего действия кольцевого поршня 240 для поддержания постоянного давления в камере 286 коленвала.

Поршневая головка 247 обычными средствами крепится к обычно применяемому шатуну 282, который вместе с обычно применяемым узлом коленчатого вала 280 преобразует линейное движение подвижного двустороннего действия кольцевого поршня 240 в механический крутящий момент.

Имеются два GraphAlloy уплотнения 246 для создания газонепроницаемого бесщелевого (бесконтактного) уплотнения между цилиндрической секцией 242 поршневой трубки, стационарным водоохлаждаемым блоком 260 головки блока цилиндров двигателя и стационарным водоохлаждаемым блоком 230 цилиндров двигателя для удержания сжатого воздуха и газов сгорания в основной и переменной длины кольцевой камере 249 сгорания, образованной между подвижным двустороннего действия кольцевым поршнем 240 и стационарным водоохлаждаемым кольцевым блоком 250 камеры сгорания. В кольцевидной секции 244 поршня используется одно или несколько GraphAlloy уплотнений 148 для газонепроницаемого отсечения газов сгорания от сжатого воздуха на противоположных сторонах кольцевидной секции 244 поршня внутри переменной по длине кольцевой камеры сгорания 249.

Особо отмечается, что под термином «GraphAlloy» здесь подразумевается используемое в данной области техники общее наименование самосмазывающихся металлографитовых уплотнений и не понимается какая-либо торговая марка какого-либо конкретного изготовителя.

Так как описания стационарного водоохлаждаемого кольцевого блока 250 камеры сгорания и стационарного водоохлаждаемого блока 260 головки блока цилиндров принципиально не отличаются от описанных выше для первого варианта осуществления настоящего изобретения, этот текст здесь не повторяется.

Для скрепления и удержания стационарных компонентов настоящего изобретения в осевом направлении используют тяги или другие обычно применяемые средства.

Работа устройства 10d по четвертому варианту осуществления настоящего изобретения аналогична работе, описанной выше для первого варианта осуществления, и по этой причине не будет снова описываться здесь.

Из вышеизложенного очевидно, что устройство 10 в своих различных осуществлениях отличается стационарным центральным валом, находящимся, по меньшей мере, частично внутри подвижного кольцевого поршня и содержащим внутренние каналы для обеспечения потока текучей среды внутри поршня. В первом и четвертом вариантах осуществления, поток текучей среды использовался для охлаждения поршня, во втором варианте осуществления поток текучей среды использовался для производства сжатого воздуха, а в третьем варианте осуществления поток текучей среды использовался для прокачки жидкости. Также было описано, что обладающий новизной и формирующий внутренний канал центральный вал может быть адаптирован для производства одного или нескольких различных потоков текучей среды для различных целей и может быть выполнен с возможностью работы с общеизвестным двигателем внутреннего сгорания для приведения в действия механической трансмиссии или для выработки электрической энергии (смотри ФИГ. 1-ФИГ 3), или для сжатия текучих сред или для выполнения вышеуказанных назначений в сочетании. Безусловно, что каналы обеспечивают в равной степени вспомогательные и основные потоки текучих сред.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания содержит кольцевой поршень и центральный вал для такого двигателя. Двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров по меньшей мере с одной камерой сгорания и кольцевой поршень с центральной камерой. Кольцевой поршень двигателя выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в камере сгорания. Двигатель внутреннего сгорания также содержит центральный вал, прикрепляемый к блоку цилиндров и выполненный с возможностью посадки, по меньшей мере, частично внутрь центральной камеры кольцевого поршня. Центральный вал содержит по меньшей мере один канал, выполненный с возможностью направления текучей среды внутрь и наружу центральной камеры кольцевого поршня. Изобретение обеспечивает повышение эффективности охлаждения кольцевого поршня. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Центральный вал (20) для двигателя внутреннего сгорания с кольцевым поршнем, выполненный с возможностью скользящей посадки, по меньшей мере, частично внутри центральной камеры подвижного кольцевого поршня (40) и содержащий по меньшей мере один канал (22, 23, 12, 25, 26) для обеспечения потока текучей среды к центральной камере указанного поршня, отличающийся тем, что содержит формирующую кольцевой канал часть, имеющую средства обеспечения кольцевого канала (12) между центральным валом (20) и окружающим поршнем (40), причем кольцевой канал соединяет впускной и выпускной каналы (26, 22).

2. Центральный вал (20) по п. 1, выполненный с возможностью прикрепления к блоку цилиндров двигателя.

3. Центральный вал (20) по п. 1 или 2, содержащий входную часть для канализированного направления потока текучей среды вовнутрь камеры поршня и выходную часть для канализированного направления данного потока текучей среды наружу из камеры поршня.

4. Центральный вал (20) по п. 3, в котором входная и выходная части содержат высверленные отверстия для создания впускного и выпускного каналов (26, 22).

5. Центральный вал (20) по п. 1, в котором впускной и выпускной каналы (26, 22) соединены с кольцевым каналом (12) радиальными отверстиями (23, 25), например высверленными отверстиями.

6. Центральный вал (20) по п. 5, содержащий средства обеспечения непроницаемого для текучей среды уплотнения между стационарным центральным валом (20) и окружающим кольцевым поршнем (40) для удержания охлаждающей жидкости в кольцевом канале (12).

7. Центральный вал (20) по п. 6, в котором указанные средства содержат два самосмазывающихся графитовых уплотнения (28) для сопряжения с окружающим поршнем (40).

8. Центральный вал (20) по п. 7, в котором указанные уплотнения (28) выполнены с возможностью закрывания обоих концов кольцевого канала (12).

9. Центральный вал (10) по любому из пп. 5-8, в котором формирующая кольцевой канал часть расположена между входной и выходной частями, причем три части образуют три линейных секции по меньшей мере с двумя различающимися диаметрами и, по существу, кольцеобразными наружными стенками, причем срединная секция имеет наименьший диаметр, а канал (22, 26) проходит аксиально сквозь обе крайние секции, достигая начала меньшей по диаметру срединной секции, радиальный канал (23, 25) в конце впускного и выпускного каналов (22, 26) сообщается с концами кольцевого канала (12) для проникновения сквозь наружную поверхность меньшей по диаметру срединной секции, а два самосмазывающихся графитовых уплотнения (28) вмонтированы в имеющие больший диаметр крайние секции непосредственно перед началом меньшей по размеру срединной секции, оставляя открытыми радиальные каналы (23, 25), и выполнены в размерном соответствии для возможности непроницаемой для жидкости посадки внутрь, по существу, кольцеобразной поверхности внутренней стенки подвижного двустороннего действия кольцевого поршня (40) двигателя внутреннего сгорания.

10. Центральный вал (20) по любому из пп. 5-8, в котором впускной и выпускной каналы выполнены в виде параллельных каналов, аксиально проходящих внутри центрального вала.

11. Центральный вал (20) по п.10, содержащий два канала (22, 26), аксиально проходящих сквозь одну и ту же крайнюю секцию вала таким образом, что один канал (22) достигает начала наименьшей по диаметру секции, а другой канал (26) достигает конца наименьшей по диаметру секции; радиальный канал (23, 25) в конце обоих указанных аксиальных каналов (22, 26) для сообщения с наружной поверхностью наименьшей по диаметру секции; два самосмазывающихся графитовых уплотнения (28), вмонтированных в имеющие больший диаметр крайние секции непосредственно перед обоими концами меньшей по диаметру секции, оставляющие открытыми радиальные каналы (23, 25), и выполненных в размерном соответствии для возможности непроницаемой для текучей среды посадки внутри, по существу, кольцеобразной поверхности внутренней стенки подвижного двустороннего действия кольцевого поршня (40) двигателя внутреннего сгорания.

12. Центральный вал (20) по п.1, в котором указанные каналы формируют канал охлаждения, выполненный с возможностью нести охлаждающую текучую среду для омывания окружающего поршня (20).

13. Центральный вал (20) по п.1, содержащий впускной и выпускной каналы (193, 197) для передачи текучей среды в компрессионную камеру, ограниченную торцом центрального вала и внутренней поверхностью закрытой цилиндрической поршневой головки (147).

14. Центральный вал по п.13, в котором впускной и выпускной каналы (193, 197), предназначенные для передачи текучей среды, образованы аксиально высверленным в центральном валу сквозным отверстием, образующим канал втекания воздуха, газа или жидкости во внутреннюю компрессионную камеру, образованную между концевой поверхностью центрального вала и внутренней поверхностью цилиндрической поршневой головки (147), и другим аксиально высверленным в водоохлаждаемом центральном валу сквозным отверстием, образующим канал вытекания воздуха, газа или жидкости из внутренней компрессионной камеры, образованной между концевой поверхностью центрального вала и внутренней поверхностью цилиндрической поршневой головки (147).

15. Центральный вал (20) по п.13 или 14, содержащий средства управления направлением потоков находящейся в компрессионной камере текучей среды внутрь впускного канала и наружу из выпускного канала.

16. Центральный вал (20) по п.15, в котором указанные средства выполнены в виде седельных тарельчатых или обратных клапанов.

17. Центральный вал (20) по п.1, в котором центральная камера поршня (40) представляет собой сквозное отверстие.

18. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров по меньшей мере с одной кольцевой камерой (49) сгорания; кольцевой поршень (40) с центральной камерой, причем указанный поршень (40) выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения в камере (49) сгорания; и центральный вал (20), прикрепленный к блоку цилиндров, выполненный с возможностью посадки, по меньшей мере, частично внутри центральной камеры кольцевого поршня (40) и содержащий по меньшей мере один канал для направления потока текучей среды внутрь и наружу центральной камеры кольцевого поршня (40), отличающийся тем, что центральный вал (20) содержит формирующую кольцевой канал часть, имеющую средства обеспечения кольцевого канала (12) между центральным валом (20) и окружающим поршнем (40), причем кольцевой канал соединяет впускной и выпускной каналы (26, 22).

19. Двигатель по п.18, в котором центральный вал (20) представляет собой центральный вал, охарактеризованный в п.1.