相反的活塞氢发动机和用于操作的方法与流程

1.本发明的目标是一种带有尤其针对氢燃料的发动机的混合推进系统和一种保护该发动机的活塞免于爆震燃烧的影响的方法以及一种在特别地关于由该发动机供能的直升机的叶轮轴上获得周期性的额外的转矩的方法。


背景技术：

2.从pct申请的发明编号wo 2017/039464的公布获知的氢发动机(hydrogen engine)包括附接到发动机壳体的一对双室式缸体(其内表面以金刚石涂层覆盖)和就位于其中的双往复式活塞，同时缸体连同活塞在两部分式曲轴的旋转轴线中以180
°
c角彼此相反地指向，该两部分式曲轴使缸体和活塞共轭(conjugate)，并且就位于发动机壳体中，或它们一起形成字母v的位置。曲轴由两个完全相同的曲柄元件组成，所述两个曲柄元件沿着它们的共同旋转轴线彼此相反地指向，并且，所述两个曲柄元件在距离轴承的帮助下以可环绕所述轴线旋转并且反向旋转的方式彼此连接。此外，曲轴具有从其两侧伸出的用以转移驱动的两个轴。曲轴的联接功能借助于两对相同的连接杆来完成，同时每个连接杆通过其一端而与反向旋转的曲柄元件中的一个以可旋转的方式连接。所述成对的连接杆的另一端与两个横向轴中的一个以振荡方式连接，而它们的每个通过垂直于其的推杆而与来自成对的联接的活塞的一个活塞刚性地连接。在每个缸体的壁(其内表面以金刚石涂层覆盖)的中间，存在扫气空气(scavenging air)的入口通道以及燃烧产物连同扫气空气的出口通道。在每个缸体的头部中，并且在其底部分隔件中，存在燃料喷射器、蒸汽喷射器以及点火元件。分隔件的线性滑动轴承嵌入于每个底部分隔件的中间，推杆被引导穿过线性滑动轴承。分隔件的滑动轴承从下方与环形密封元件配合，在环形密封元件上方，在滑动轴承的剩余的长度上，在滑动轴承的壁与推杆的表面之间，存在微型润滑孔隙。被分配给每个缸体的燃料喷射器与用于通过燃料喷射器的蒸汽管路而投加蒸汽的装置连接，而所述装置由安装于对应的缸体的排气管上的蒸汽发电机供能。此外，存在安装于每个特定的排气管上的热电偶(thermocouple)，而根据通路，存在发电机涡轮和支持性风扇的涡轮。支持性风扇通过被分配给相反的缸体的主风扇而将扫气空气供应到所述缸体的经压缩的空气的入口通道。所有发电机的电引出端都与所有热电偶的电引出端并联地连接，并且，它们供应到给hho发电机供能的蓄能器。来自hho发电机的氧气管路被引导至紫外线电离器，氧气管路进一步从紫外线电离器前往三通气体连接器的进入端中的一个，氢气连接器从hho发电机被传导(carried)到三通气体连接器的其它进入端。气体连接器的引出端通过压缩机而与所有单独的燃料投加装置的进入端都并联地连接，所有单独的燃料投加装置的引出端与被分配给它们的所有燃料喷射器都连接。
3.此外，由德国公司airstier开发的空中无人机的推进系统(propulsion system,有时称为驱动系统)包括用于驱动无人机的四个螺旋桨的四个单独的燃烧发动机以及联接到所述燃烧发动机的四个支持性电发动机，所述发动机促进提高空气中的稳定性和机动性。
4.从专利描述us 6918382获知的由氢燃料供能的内燃发动机用于以受控制的量的喷射的氢给小型摩托车供能。考虑到多个参数(包括在用于利用微控制器以及与微控制器合作的许多传感器的使用来测量氢燃料的系统的帮助下控制的位于氢存储系统中的氢的量)，控制氢燃料的量的系统引起燃料喷射到发动机节流阀中。
5.此外，已知在使用hho发电机的情况下产生并且利用氢燃料的方法，其中，在从交流发电机供应能量之后，发生来源于车罐的水的电解。作为该过程的结果，出现氢和氧的非爆炸性混合物。所述混合物与所吸入的空气和标准马达燃料一起直接地供应到发动机的燃料系统。已知的方法实现减少内燃发动机中的标准燃料的使用，但所述方法不排除该使用。
6.由氢混合物供能的已知的发动机的缸体的室中的燃烧过程的独特特征是在缸体的燃烧室中在高达7000
°
c的温度下的氢的爆震燃烧。这些现象对发动机元件的耐久性，特别地发动机元件的可移动部分(尤其活塞)的参数的持久性和稳定性造成负面影响。在根据本发明的混合推进系统和与其关联的方法的下文的描述中解决所指示的问题。


技术实现要素：

7.根据本发明的混合推进系统包括尤其针对氢燃料的单冲程反向旋转式发动机，该发动机具有成对的双往复式活塞，成对的双往复式活塞就位于彼此相反地指向并且紧固到发动机壳体的双室式缸体中。缸体通过头部从外部部分封闭，而在其中缸体紧固到发动机壳体的部位中，缸体被分隔件封闭，其中，分隔件的线性滑动轴承位于其中，推杆穿过线性滑动轴承而被引导至发动机壳体。每个活塞由顶部活塞半部和通过补偿弹簧而从顶部部分分离的底部活塞半部组成。顶部活塞半部和底部活塞半部通过嵌入于其中的活塞的顶部滑动轴承和活塞的底部滑动轴承而以可滑动的方式就位于推杆上。此外，存在以不可移动的方式就位于推杆上的顶部限制器和底部限制器，并且，顶部限制器和底部限制器被调整到顶部活塞半部和底部活塞半部的外表面。在缸体的壁的中间存在入口通道，扫气空气从风扇的引出端以及出口通道供应到入口通道，入口通道用来对空气连同燃烧产物实行扫气通过排气管。在每个缸体的头部中以及在其分隔件中，存在燃料喷射器、蒸汽喷射器以及点火元件。放置于每一对缸体中的活塞在就位于发动机壳体中的两部分式曲轴的帮助下联接在一起。曲轴由曲轴的第一半部和曲轴的第二半部组成，曲轴的第一半部和曲轴的第二半部沿着它们的共同旋转轴线彼此相反地就位，并且，曲轴的第一半部和曲轴的第二半部在距离轴承的帮助下以环绕所述轴线可旋转并且反向旋转的方式彼此连接。曲轴相对于每一对活塞的联接功能借助于由第一连接杆和第二连接杆组成的两对相同的连接杆来完成。一对的第一连接杆和第二连接杆分别通过它们的一端而与曲轴的第一半部和曲轴的第二半部偏心地连接。该成对的连接杆的另一端与两个横向轴中的一个以振荡方式连接，而它们中的每个通过垂直于其的推杆而与放置于给定的对的相反的缸体中的两个活塞中的一个刚性地连接。第一引出端轴和第二引出端轴从曲轴的第一半部和曲轴的第二半部伸出，并且，第一引出端轴和第二引出端轴分别通过第一离合器和第二离合器而与第一叶轮系统和第二叶轮系统连接。
8.在本发明的第一实施例中，第一叶轮系统和相同的第二叶轮系统构成单独并且优选地多叶片式叶轮，所述叶轮固紧于第一离合器和第二离合器的对应的接纳轴上。
9.在本发明的另一实施例中，第一叶轮系统和相同的第二叶轮系统构成两对优选地
多叶片式叶轮。所述叶轮的驱动轴分别通过第一传动带和第二传动带而与嵌入于接纳轴上的第一离合器和第二离合器连接。
10.每个叶轮的叶片的端部固紧于转子的轮缘中，转子的轮缘偏心地放置于定子的轮缘中，同时维持它们之间的最小距离，这实现转子缘的自由旋转移动。在每个转子缘中，呈钕(neodymium)磁体的形式的磁偶极子(magnetic dipole)沿着其圆周均匀地放置，而在每个定子的缘中，感应线圈沿着其圆周均匀地放置。每个定子缘的所有感应线圈都与它们的单独的换向系统(commutation system)相应地连接，而所述换向系统与收集并且转移电能的共同系统连接，同时换向系统和收集并且转移电能的系统与控制系统连接。总之，它产生与叶轮连接的电机的系统，并且取决于需要，它发挥发电机或叶轮的额外的驱动发动机的作用以存储飞行进程中的能量储备。
11.根据本发明的保护发动机的活塞的方法涉及借助于使用在推杆上就位于活塞的两个半部之间的补偿弹簧的弹性力以及在活塞在缸体的封闭区中的移动的进程中在活塞的所述半部之间产生的气囊的弹性的影响、作为氢混合物的点火的结果而实现活塞上的压力迅速增长的部分机动化(partial motorization)，同时至少一个活塞半部可朝向另一个活塞半部移动。此外，为了在缸体中的活塞移动的进程中降低位于活塞的特定位置中的活塞的温度，借助于经压缩的空气来发生对两个活塞半部的扫气。
12.根据本发明的获得叶轮的周期性转矩的方法涉及通过电磁感应而将叶轮的转矩的能量从与磁偶极子配合的叶轮叶片部分地转移到电网络，该电网络与静电感应线圈的所述磁偶极子联接，该静电感应线圈环绕磁偶极子的旋转路线放置。
13.在感应线圈的圆周中感应的电流继换向过程之后供应到收集并且转移电能的系统，并且，此后，在叶轮轴上的转矩不足的情况下，来自收集并且转移能量的系统的电能被指引回到感应线圈，这以电动力(electrodynamic force)对旋转的磁偶极子造成影响，该电动力引起叶轮转矩的增长。
14.根据本发明的具有氢发动机的混合推进系统由于驱动这些物体的组合的燃烧和电系统而设计成用于任何陆地车辆、水面船舶和潜艇船舶以及特别地飞行器。在内燃发动机失效的情况下，在直升机中使用的所述系统提供飞行安全性。在这样的情况下，由作为电驱动发动机而工作的电机系统承担内燃发动机的推进功能，直至实现安全着陆的时间。还存在单独地控制所述电驱动发动机的功率的可能性。该可能性是根据本发明的解决方案的最明显的优点。在此情况下，另一优点还是驱动的最佳使用以及燃料使用减少的可能性。
附图说明
15.本发明在附图中关于实施例的示例而显示，其中，图1显示氢发动机的示意图，图2是曲轴连同成对的活塞的视觉表示，此外，图3以半截面图显示活塞，图4是具有叶轮系统的内燃发动机的压缩的总体概念，此外，图5构成在与控制系统结合的叶轮系统的顶视透视图中的根据第一实施例的推进系统的示意表示，图6是在叶轮系统的侧透视图中的根据第一实施例的推进系统的示意表示，而图7构成在叶轮系统的侧透视图中的根据第二实施例的推进系统的示意表示。
具体实施方式
16.推进系统包括尤其针对氢燃料的单冲程反向旋转式发动机，该发动机具有成对的双往复式活塞1，成对的双往复式活塞1就位于双室式缸体3中，双室式缸体3彼此相反地指向并且紧固到发动机壳体2。缸体3的内表面以金刚石涂层覆盖。
17.以金刚石涂层覆盖缸体的壁是保护所述壁免受在氢燃料的燃烧期间出现的高温的侵害的已知的方法。缸体3通过头部4从外部部分封闭，而在其中缸体3紧固到发动机壳体2的部位中，缸体3被分隔件5封闭，其中，分隔件的线性滑动轴承6位于分隔件5中，推杆7穿过该线性滑动轴承而被引导至发动机壳体2。每个活塞1由顶部活塞半部1a和底部活塞半部1c组成，底部活塞半部1c通过补偿弹簧1b而从顶部部分分离。顶部活塞半部1a和底部活塞半部1c通过嵌入于其中的活塞的顶部滑动轴承1d和活塞的底部滑动轴承1e而以可滑动的方式就位于推杆7上。此外，存在以不可移动的方式就位于推杆7上的顶部限制器1f和底部限制器1g，并且，顶部限制器1f和底部限制器1g被调整到顶部活塞半部1a和底部活塞半部1c的外表面。在缸体3的壁的中间存在入口通道8，扫气空气从风扇9的引出端以及出口通道10供应到入口通道8，入口通道8用来对空气连同燃烧产物实行扫气通过排气管11。在每个缸体3的头部4中以及在其分隔件5中，存在燃料喷射器12、蒸汽喷射器13以及点火元件14。放置于每一对缸体3中的活塞1在就位于发动机壳体2中的两部分式曲轴15的帮助下联接在一起。曲轴15由曲轴的第一半部15a和曲轴的第二半部15b组成，曲轴的第一半部15a和曲轴的第二半部15b沿着它们的共同旋转轴线彼此相反地就位，并且，曲轴的第一半部15a和曲轴的第二半部15b在距离轴承16的帮助下以环绕所述轴线可旋转并且反向旋转的方式彼此连接。曲轴15相对于每一对活塞1的联接功能借助于由第一连接杆17a和第二连接杆17b组成的两对相同的连接杆来完成。一对的第一连接杆17a和第二连接杆17b分别通过它们的一端而与曲轴的第一半部15a和曲轴的第二半部15b偏心地连接。该成对的连接杆17a和连接杆17b的另一端与两个横向轴18中的一个以振荡方式连接，而它们中的每个通过垂直于其的推杆7而与放置于给定的对的相反的缸体3中的两个活塞1中的一个刚性地连接。第一引出端轴19a和第二引出端轴19b从曲轴的第一半部15a和曲轴的第二半部15b伸出，并且，第一引出端轴19a和第二引出端轴19b分别通过第一离合器20a和第二离合器20b而与第一叶轮系统21a和第二叶轮系统21b连接。
18.在第一实施例中，第一叶轮系统21a和相同的第二叶轮系统21b构成单独并且优选地多叶片式叶轮22，叶轮22固紧于第一离合器20a和第二离合器20b的对应的接纳轴23上。
19.在另一实施例中，第一叶轮系统22a和相同的第二叶轮系统22b构成两对多叶片式叶轮22。所述叶轮的驱动轴24分别通过第一传动带25a和第二传动带25b而与嵌入于接纳轴23上的第一离合器20a和第二离合器20b连接。每个叶轮22的叶片的端部固紧于转子26的轮缘中，转子26的轮缘偏心地放置于定子27的轮缘中，同时维持它们间的最小距离，这实现转子缘26的自由旋转移动。在每个转子缘26中，呈钕磁体的形式的磁偶极子28沿着它们的圆周均匀地放置，而在每个定子27的缘中，感应线圈29沿着它们的圆周均匀地放置。每个定子缘的所有感应线圈29都相应地与它们的单独的换向系统30连接，而所述换向系统与收集并且转移电能的共同的系统31连接，同时换向系统30和收集并且转移电能的系统31与控制系统32连接。总之，它产生与叶轮22连接的电机的系统，并且取决于需要，它发挥叶轮22或发电机的额外的驱动发动机的作用以存储飞行进程中的能量储备。
20.在发动机的特定工作阶段中的发动机操作对两个相反的活塞而言相同，但两个活塞的工作循环在相位上以180
°
角移动。因而足够的是，在与发动机的剩余的合作的子系统结合的情况下描述仅一个带有对应的活塞1的缸体3的工作。
21.经压缩的氢燃料在燃料喷射器12的帮助下被供应到缸体3的位于活塞1上方的空间，该空间构成顶部燃烧室。在活塞1的tdc(上止点)中，发生由于火花塞的火花的燃料的点火。当在顶部燃烧室中实现大约7000
°
c的最高温度的时候，在蒸汽喷射器13的帮助下发生蒸汽的喷射，这导致燃烧室冷却到大约3500
°
c，其中，同时将蒸汽分成氧和氢。在燃烧室中以此方式获得的燃料的额外的部分的出现引起其在缸体3室的空间中自动点火、诱导的(derivative)爆炸以及压力迅速增长。发生活塞1朝向分隔件的强制的冲程，然后，由于支承于被底部限制器1g阻挡的底部活塞半部1c上的补偿弹簧1b的弹性力的原因，并且另外由于形成于顶部活塞半部1a与底部活塞半部1c之间的气囊的原因，缓解顶部活塞半部1a上的燃烧气体的压力的急剧增长。对底部活塞半部1c造成影响的力通过所述限制器转移到推杆7上，这引起推杆7朝向分隔件5移动。在活塞1的中间位于入口通道8和出口通道10的轴线中的时候，在顶部活塞半部1a与底部活塞半部1c之间，维持最小距离，该最小距离由受挤压的补偿弹簧1b的厚度确定。于是，活塞1内部的自由空间形成于其两个半部之间，这实现在对从风扇9供应到入口通道8的经压缩的空气扫气的帮助下使顶部活塞半部1a和底部活塞半部1c的内表面冷却。在活塞1进一步移动的进程中，缸体3的顶部燃烧室与入口通道8和出口通道10连接，并且，结果，不但所述室被洗掉燃烧产物，而且缸体3壁和顶部活塞半部1a的外表面被冷却。从附接到入口通道8的风扇9传导对缸体3的室洗涤和扫气的经压缩的空气。此外，在发动机的该工作阶段中，燃料从底部燃料喷射器12供应到缸体3的位于活塞1下方的空间中，该空间构成底部燃烧室。燃料在活塞1朝向分隔件5进一步向下移动的进程中经历压缩。在活塞1趋近于靠近tdc时，不但发生由于底部点火塞的燃料的点火，而且重复前面提到的过程，使得蒸汽在蒸汽喷射器13的帮助下供应到底部燃烧室，然后，不但将蒸汽分成氧和氢，而且发生以此方式获得的燃料的燃烧和活塞1朝向头部4的向上的冲程。由于支承于被阻挡的顶部活塞半部1a上的补偿弹簧1b的弹性力的原因，并且另外由于形成于顶部活塞半部1a与底部活塞半部1b之间的气囊的原因，类似地，如在顶部活塞半部1a的情况下那样，缓解底部活塞半部1c上的燃烧气体的压力迅速增长。对顶部活塞半部1a造成影响的力通过顶部限制器1f转移到推杆7上，这引起推杆7朝向头部4移动。在活塞1位于入口通道8和出口通道10的轴线中的时候，类似地，如在活塞1向下移动的情况下那样，在供应到入口通道8的经压缩的空气的帮助下，发生顶部活塞半部1a和底部活塞半部1c的内表面的冷却。在活塞1进一步移动的进程中，缸体3的底部燃烧室与入口通道8和出口通道10连接，并且，结果，不但所述室通过经压缩的空气的喷出而被洗掉燃烧产物，而且底部活塞半部1a的外表面和顶部燃烧室的缸体3的壁被冷却。以此方式，完成一个完整的工作循环，在此期间，发生推杆7的线性往复冲程。推杆7的底端在发动机壳体2内部被引导穿过就位于分隔件5中的分隔件的紧配滑动轴承6。从成对的相反的缸体3伸出的推杆7通过彼此连接的成对的第一连接杆17a和第二连接杆17b引起曲轴的第一半部15a和曲轴的第二半部的反向旋转的旋转移动，曲轴的第一半部15a和曲轴的第二半部一起形成曲轴15。该移动通过使第一引出端轴19a和第二引出端轴19b反向旋转且相反而转移到第一离合器20a和第二离合器20b的进入端上，第一离合器20a和第二离合器20b将反向旋转驱动转移到第一叶轮系统21a和第二叶轮系统
21b。
22.在本发明的第一实施例中，该驱动直接地转移到单独的多叶片式叶轮20，多叶片式叶轮20固紧于第一离合器20a和第二离合器20b的接纳轴23上。
23.在另一实施例中，该驱动通过这些叶轮的驱动轴24并且在第一传动带25a和第二传动带25b的帮助下转移到两对多叶片式叶轮22。多叶片式叶轮22的使用出于在多个部位中与转子缘26联接的必要性，其旨在使转子的整个构造变硬(stiffen)。
24.设定成运动的每个叶轮22的叶片与转子缘26一起旋转，转子缘26安装于所述叶片的边缘上，并且包括成串的相同地指向的磁偶极子28，并且，磁偶极子28通过其磁场而对就位于定子缘29中的感应线圈29影响。以此方式形成的电机的系统可取决于需要而生成电流，该电流通过换向系统30而转移到收集并且转移能量的系统31，并且对支持蓄能器(未在图中显示的)的电池进行充电，或该电机系统可构成电动马达的系统，支持利用所收集的电能的内燃推进，包括用于内燃发动机的启动系统。由于在本发明被并入于其中的直升机的主燃烧推进失效的情况下的叶轮22的额外的电推进的原因，所提出的在使用与叶轮22连接的电机系统的情况下支持内燃推进促进直升机的安全并且缓和的着陆。与叶轮22关联的燃烧推进和电推进的相互关联导致有可能在所述推进系统之间交换能量并且使燃料使用优化。