КОЛЕБАТЕЛЬНО-РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ-КОМПРЕССОР Российский патент 1995 года по МПК F04C23/02 F02B53/00 

Изобретение относится к машинам объемного сжатия и расширения, состоящим из теплового двигателя внутреннего сгорания и компрессора, приводимого в действие двигателем, и может быть использовано при создании нестационарных компрессорных установок для сжатия атмосферного воздуха, силовых агрегатов холодильных установок для перекачивания холодильного агента, например аммиака, фреона, автономных газокомпрессорных станций для поддержания давления в магистральных газопроводах, а также транспортных силовых установок, используемых на водном, наземном и воздушном транспорте. При замене компрессора насосом агрегат может быть использован для перекачивания различных жидкостей.

Известны роторные дизель-компрессоры, состоящие из двигателя внутреннего сгорания и компрессора. Эти агрегаты имеют кривошипно-шатунный механизм или другие механические системы преобразования энергии, обладающие механической необратимостью и усложняющие агрегат. Двигатели внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения работают с изохорным отводом теплоты и, следовательно, неполным расширением продуктов сгорания. Потери механической работы за счет этого достигают 15%
Известен двигатель внутреннего сгорания с колеблющимся поршнем, недостатком которого является принудительное зажигание топлива, а следовательно, усложнение системы обеспечения работы двигателя, и неполное расширение продуктов сгорания. Кроме того, в известный двигатель введен механизм преобразования возвратно-вращательных колебаний вала во вращательное движение выходного вала.

Цель изобретения повышение эффективности и уменьшение токсичности отработавших газов.

Это достигается тем, что в роторном дизель-компрессоре применена конструкция возвратно-вращательных колебаний вала, общего для двигателя и компрессора, что ликвидирует традиционные механические кинематические схемы преобразования возвратно-вращательного движения вала двигателя во вращательное движение выходного вала, так как компрессор потребляет работу двигателя в форме силовых возвратно-вращательных колебаний вала и преобразует ее в потенциальную энергию сжатой среды, отличной от рабочего тела, используемого в двигателе внутреннего сгорания, и трехступенчатый колебательно-роторный двигатель внутреннего сгорания с двухступенчатым объемным сжатием воздуха, позволяющим осуществить самовоспламенение впрыскиваемого в камеру сгорания топлива, и двухступенчатым объемным расширением продуктов сгорания до атмосферного давления, позволяющим осуществить изобарный отвод теплоты, со ступенью предварительного сжатия воздуха, основной ступенью двигателя с камерой сжатия воздуха и камерой расширения продуктов сгорания разного геометрического объема, достигаемого соответствующей установкой впускного и двух выпускных клапанов относительно друг друга, что изменяет систему газообмена в двигателе внутреннего сгорания и делает возможным изобарный отвод теплоты из основной ступени двигателя применением комбинированного двухступенчатого удаления продуктов сгорания вначале продувкой рабочих камеp основной ступени, а затем выталкиванием оставшихся газов движущимся криволинейно поршнем через ресивер, в котором осуществляется догорание продуктов неполного сгорания топлива, что уменьшает токсичность отработавших газов, в ступень окончательного расширения продуктов сгорания до давления, равного атмосферному.

На фиг. 1 схематически изображен продольный разрез роторного дизель-компрессора; на фиг. 2 ступень предварительного сжатия колебательно-роторного двигателя; на фиг. 3 основная ступень колебательно-роторного двигателя; на фиг. 4 и 5 основные фазы газообмена и схема работы роторного дизель-компрессора.

Роторный дизель-компрессор состоит из четырех статоров 1-4 с перегородками 5-8, имеющими одинаковый угловой параметр ϕ₁ 90^о (см. фиг. 2 и 3), и общий вал 9, опирающийся на подшипники 10 с четырьмя жестко закрепленными, роторами 11-14 с лопастями-поршнями 15-18, имеющими также одинаковый угловой размер ϕ₂ 45^о (см. фиг. 2 и 3). Статоры 1-3 соответственно с роторами 11-13 образуют три ступени двигателя внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения: ступень предварительного сжатия А, основную ступень В, в которой производится сгорание топлива, и ступень С окончательного расширения продуктов сгорания. Статор 4 с перегородкой 8, самодействующими впускными 19, 20 и нагнетательными 21 и 22 клапанами, ротор 14 с поршнем 18 образуют силовой компрессор D (см. фиг. 4, D и 5,D), перекачивающий среду из магистрали 23 низкого давления в магистраль 24 высокого давления.

Каждая ступень А, В, С и D (см. фиг. 2-5) роторного дизель-компрессора имеет две рабочие камеры переменного объема левую Е и правую F, образованные телом статора, его перегородкой, телом движущегося ротора и его лопастью-поршнем. Ступень А (фиг. 2, 4, А и 5,А) предварительного сжатия воздуха включает в себя левую Е и правую F камеры переменного объема, статор 1, перегородку статора 5 с всасывающим коллектором 25, сообщенным с атмосферой, и самодействующими впускными клапанами 26 и 27, каналы 28 и 29 с коллектором 30 и самодействующими нагнетательными клапанами 31, 32, и соединяется коллектором 30 со ступенью В, которая включает в себя (см. фиг. 3, 4,В и 5,В) левую Е и правую F камеры переменного объема, поочередно выполняющие функции камеры сжатия воздуха и камеры расширения продуктов сгорания, камеры сгорания 33 и 34, размещенные в теле перегородки 6 статора 2, впускные принудительные клапаны 35 и 36, расположенные в каналах 37 и 38, объединенных коллектором 30, выпускные принудительные клапаны 39 и 40, размещенные в каналах 41 и 42, объединенных коллектором 43, и форсунки 44 и 45 для впрыска топлива в камеры сгорания 33 и 34. Выпускной коллектор 43 соединен каналом 46 с ресивером 47, предназначенным для изобарного догорания продуктов неполного сгорания топлива и сглаживания пульсаций давления перед подачей продуктов сгорания в ступень С окончательного расширения рабочего тела.

Ступень С (см. фиг. 1,С, 4,С и 5,С) состоит из впускного коллектора 48, сообщающегося с ресивером 47, принудительных впускных клапанов 49 и 50 в коллекторе 48, отсекающих подачу рабочих газов в соответствующий момент времени в левую Е и правую F камеры переменного объема, выхлопных патрубков 51 и 52 с размещенными в них принудительными выхлопными клапанами 53 и 54, через которые продукты сгорания отводятся в атмосферу.

Роторный дизель-компрессор работает следующим образом.

Общий вал 9 с жестко закрепленными роторами 11-14 с поршнями 15-18 совершает цикличное возвратно-вращательное движение в пределах угла ϕ₃(см. фиг. 2 и 3, в данном случае ϕ₃ 270^о). Амплитуда колебания вала с ротором и поршнем задается угловыми размерами перегородки статора и поршня ротора (см. фиг. 2 и 3).

Рассмотрим процессы, происходящие в каждой из четырех ступеней роторного дизель-компрессора и их совместную работу.

Ступень А предварительного сжатия воздуха работает следующим образом. При движении поршня 15 ротора 11 вниз по часовой стрелке в левой камере Е переменного объема происходит предварительное сжатие воздуха фиг. 1А, 2, 4А и последующее выталкивание его через самодействующий нагнетательный клапан 31 в канал 28. Клапан 26 при этом закрыт. Одновременно в правую камеру F через коллектор 25 и самодействующий впускной клапан 27 происходит забор атмосферного воздуха. При обратном против часовой стрелки, колебании ротора 11 с поршнем 15 (см. фиг. 5,А) в правой рабочей камере F происходит предварительное сжатие воздуха с последующим выталкиванием его через самодействующий клапан 32 в канал 29, а в левую рабочую камеру Е ступени А в этот момент времени впускается атмосферный воздух через коллектор 25 и самодействующий впускной клапан 26. Клапан 31 при этом закрыт. Цикл замкнулся. Ступень А предварительного сжатия представляет собой воздушный компрессор со степенью сжатия ε 4 и помимо работы предварительного сжатия воздуха обеспечивает частичную принудительную продувку рабочих камер основной ступени В роторного дизель-компрессора, которая работает следующим образом фиг. 1В, 3, 4В и 5В.

Рабочий ход с производством работы совершается после самовоспламенения топлива, подаваемого через форсунку 45 в камеру сгорания 34 с момента нахождения поршня 16 ротора 12 в правом верхнем положении фиг. 4В, соответствующем высшим параметрам рабочего тела предыдущего такта вторичного объемного сжатия со степенью сжатия ε ≅ 4. При движении поршня 16 вниз по часовой стрелке в правой камере F происходит расширение продуктов сгорания с понижением давления. При движении поршня 16 по часовой стрелке выхлопной клапан 39, являющийся в данном цикле производства работы первым выпускным, всегда открыт, а выпускной клапан 40, являющийся в этом же цикле вторым выпускным, всегда закрыт. И наоборот. При пересечении поршнем 16 выпускного клапана 39 принудительно открывается впускной воздушный клапан 36 и одновременно при адекватном положении поршня 15 ступени А фиг. 2, в левой рабочей камере Е ступени А достигается расчетное давление воздуха, при котором срабатывает самодействующий клапан 31 и свежая порция воздуха по каналу 28 и коллектору 30 через открытый клапан 36 поступает в правую рабочую камеру F ступени В, частично вытесняя изобарно продукты сгорания с давлением, равным давлению воздуха на выходе из ступени А, через первый выпускной клапан 39, канал 41 в коллектор 43 и далее в ресивер 47.

Изобарная продувка правой рабочей камеры F основной ступени B и ее заполнение воздухом продолжаются по мере дальнейшего движения поршня 16 по часовой стрелке. В момент достижения поршнем 16 левого крайнего верхнего положения принудительные клапаны 36 и 39 ступени В и самодействующий клапан 31 ступени А закрываются, а второй выпускной клапан 40 открывается, и происходит подача топлива через форсунку 44 в камеру сгорания 33, его горение и рабочий ход противоположного движения ротора 12 с поршнем 16 против часовой стрелки. Движение поршня из верхнего левого положения против часовой стрелки фиг. 5В, сопровождается окончательным выталкиванием из правой рабочей камеры F ступени В продуктов сгорания и части свежего заряда воздуха от предыдущей продувки, но уже через второй выпускной клапан 40 в канал 42, коллектор 43 и далее в ресивер 47. Выталкивание продуктов сгорания из правой рабочей камеры F основной ступени В заканчивается в момент перекрытия поршнем 16 второго выпускного клапана 40. В этот момент времени прохождения поршнем 16 клапана 40 в правой рабочей камере F ступени В начинается процесс объемного сжатия воздуха, заканчивающийся по достижению поршнем 16 крайнего верхнего правого положения, при котором температура сжатого воздуха превышает температуру самовоспламенения топлива. При прохождении поршнем 16 клапана 40 открывается принудительно впускной воздушный клапан 35 и одновременно при адекватном положении поршня 15 ступени А (фиг. 2) в правой рабочей камере F ступени А достигается расчетное давление воздуха, при котором срабатывает самодействующий клапан 32 и свежая порция воздуха по каналу 29, коллектору 30 через открытый клапан 35 поступает в левую рабочую камеру Е основной ступени двигателя В, обеспечивая частичную изобарную продувку левой камеры Е ступени В через клапан 40, являющийся для цикла с обратным ходом поршня 16 уже первым выпускным, в канал 42, коллектор 43 и далее в ресивер 47, в котором происходит догорание продуктов неполного сгорания топлива и сглаживание пульсаций давления. В момент, соответствующий высшему правому положению поршня 16, клапаны 40, 35 и 32 закрываются, а первый выпускной клапан 39 открывается. Цикл замкнулся.

Окончательно изобарная продувка левой камеры Е ступени В происходит при движении поршня 16 по часовой стрелке за счет вытеснения продуктов сгорания через открытый клапан 39 в канал 41, коллектор 43 и ресивер 47 и полностью будет закончена при пересечении поршнем 16 клапана 39. Замена процесса изохорного отвода теплоты на изобарный в основной ступени В двигателя внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения достигается взаимным расположением выхлопных клапанов 39 и 40 относительно друг друга и соответствующих впускных 35 и 36, определяющим отношение геометрических объемов камер объемного сжатия воздуха и объемного расширения продуктов сгорания (рабочего хода), в которых производятся соответственно процессы сжатия и расширения рабочего тела с соблюдением условия полного расширения продуктов сгорания до давления, равного давлению воздуха в начале такта сжатия (в конце процесса сжатия воздуха в ступени А).

В предлагаемом роторном дизель-компрессоре объем камеры расширения продуктов сгорания V_p ступени В (см. фиг. 3), отнесенный к объему камеры сжатия воздуха V_c, равен отношению температуры продуктов сгорания в конце процесса адиабатического расширения Т_р к температуре воздуха в начале такта его сжатия Т_с, т.е. V_p/V_c T_p/T_c, и отношению угловых параметров расположения первого ϕ_I и второго ϕ_II выпускных клапанов (см. фиг. 3): V_p/V_c T_p/T_c ϕ_I /ϕ_II Если толщиной поршня 16 основной ступени В пренебречь, то при угловом размере перегородки 6 статора 2 ϕ₁ 90^о будет иметь место следующее значение указанного равенства V_p/V_cT_p/T_c ϕ_I / ϕ_II ≈ 2. Основная ступень В и в целом двигатель внутреннего сгорания работают с измененной последовательностью газообмена (за расширением рабочего тела следует такт впуска, затем выпуск и сжатие) по схеме двигателя объемного сжатия и расширения двойного действия, так как рабочий ход имеет место при любом направлении движения поршня. Однако, кроме присущей двухтактным двигателям продувки, применяемой в предлагаемом роторном дизель-компрессоре, производится также выталкивание продуктов сгорания движущимся поршнем по признаку, характерному четырехтактному двигателю и таким образом осуществляется двухступенчатая продувка рабочих камер основной ступени В двигателя через два выпускных клапана 39 и 40.

Ступень С окончательного расширения продуктов сгорания работает следующим образом (см. фиг. 4,С и 5,С). В момент нахождения поршня 17 ротора 13 в крайнем правом верхнем положении принудительно открывается отсечной клапан 50. Под действием давления продуктов сгорания, поступающих из ресивера 47 через клапан 50, поршень 17 опускается по часовой стрелке. Прекращение подачи продуктов сгорания из ресивера 47 в правую камеру F ступени С осуществляется клапаном 50 из условия полного расширения продуктов сгорания в правой камере F ступени С до атмосферного давления. В момент прихода поршня 17 в крайнее левое верхнее положение принудительно открывается отсечной впускной клапан 49, через который из ресивера 47 рабочее тело поступает в левую рабочую камеру Е ступени С и в этот же момент принудительно открывается выхлопной клапан 54. Под действием давления продуктов сгорания, поступающих из ресивера 47 через клапан 49, поршень 17 опускается против часовой стрелки, выталкивая при этом через открытый клапан 54 и патрубок 52 из правой рабочей камеры F продукты сгорания в атмосферу. Прекращение подачи продуктов сгорания из ресивера 47 через клапан 49 в левую камеру Е ступени С осуществляется клапаном 49 из условия полного расширения продуктов сгорания в левой камере Е ступени С до атмосферного давления. В крайнем правом верхнем положении поршня 17 происходит переключение клапанов: клапан 54 закрывается (клапан 49 уже закрыт), клапаны 50 и 53 открываются. Цикл замкнулся. Отработанные газы из левой рабочей камеры Е ступени С удаляются в атмосферу через открытый выхлопной клапан 53 и патрубок 51. В период времени, когда впускные клапаны 49 и 50 закрыты, частично использованная в ресивере 47 потенциальная энергия давления продуктов сгорания восполняется поступлением продуктов сгорания из рабочих камер ступени В в ресивер 47, как описано ранее.

Ступень D является силовым компрессором, воспринимающим работу двигателя в виде возвратно-вращательных движений вала 9 и преобразующим ее в потенциальную энергию давления среды, отдаваемой в магистраль 24 высокого давления, которая работает следующим образом (см. фиг. 4,D и 5,D). При движении поршня 18 ротора 14 из правого верхнего положения по часовой стрелке происходит сжатие рабочего тела в левой рабочей камере Е и впуск рабочего тела из магистрали 23 низкого давления через самодействующий клапан 20 в правую рабочую камеру F ступени D. При обратном ходе поршня 18 против часовой стрелки происходят обратные процессы. Работа силового компрессора D аналогична работе ступени А предварительного сжатия воздуха. Однако в отличие от свободно-поршневых дизель-компрессоров в силовом компрессоре D может перекачиваться любая среда, включая жидкую. Это зависит от конструкции последней ступени D роторного дизель-компрессора, которая в этом случае будет насосом. Для балансировки вала роторного дизель-компрессора поршни ступени D и возможно ступени С могут быть расположены под углом 180^о к лопастям других ступеней.

При использовании предложенного роторного дизель-компрессора уменьшены, во-первых, на 10-15% доля теплоты, отдаваемая низкотемпературному источнику, за счет замены изохорного отвода теплоты на изобарный, во-вторых, необратимые механические потери двигателя из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма, включая коленчатый вал, и других механизмов преобразования энергии, отсутствует система глушения и могут быть использованы любые жидкие топлива и газ.

Роторный дизель-компрессор экологически чище существующих. Это обусловлено тем, что ресивер роторного дизель-компрессора помимо основной функции сглаживание пульсации давления, выполняет еще функцию термического нейтрализатора. Свободный кислород как следствие избыточности продувки основной ступени двигателя и высокая температура (до 1200 К) создают в ресивере условия для догорания продуктов неполного сгорания топлива СН и СО. Время для обеспечения качественного догорания СН и СО определяется геометрическими размерами ресивера.

Изобретение колебательно-роторный двигатель компрессор относится к области тепловых машин объемного сжатия и расширения и может быть использован при создании стационарных компрессорных установок для сжатия атмосферного воздуха, силовых агрегатов холодильных установок для перекачивания холодильного агента, автономных газокомпрессорных станций для поддержания давления в магистральных газопроводах, а также силовых установок, применяемых на водном, наземном и воздушном транспорте. Сущность изобретения: роторный двигатель компрессор снабжен расширительной секцией с впускными и выпускными клапанами и качающимся поршнем, который закреплен на общем валу, и газовым ресивером, сообщенным с выпускными каналам рабочей секции и впускными каналами расширительной секций, при этом входное отверстия выпускных каналов рабочей секции расположены на цилиндрической поверхности корпуса кольцевой полости симметрично относительно плоскости расположения разделительного сектора, а в выпускных каналах рабочей секции установлены управляемые клапаны. В рабочей секции на один впускной клапан циклов прямого и обратного действия приходится два управляемых выпускных клапана. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. КОЛЕБАТЕЛЬНО-РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ-КОМПРЕССОР, содержащий корпус, секцию компрессора, рабочую секцию двойного действия и секцию силового нагнетателя, каждая из которых снабжена впускными и выпускными каналами и запорными органами и выполнена в виде кольцевой полости с расположенными в ней качающимся поршнем и связанным с корпусом неподвижным разделительным сектором, причем поршень каждой секции закреплен на общем валу, расположенном соосно с кольцевыми полостями, выпускные каналы компрессора сообщены с впускными каналами рабочей секции, а впускные каналы нагнетателя с потребителем, отличающийся тем, что он снабжен расширительной секцией с впускными и выпускными каналами и качающимся поршнем, который закреплен на общем валу, и газовым ресивером, сообщенным с выпускными каналами рабочей секции и впускными каналами расширительной секции, входные отверстия выпускных каналов рабочей секции расположены на цилиндрической поверхности ее кольцевой полости симметрично относительно плоскости расположения сектора, а в выпускных каналах рабочей секции установлены управляемые клапаны. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в камерах переменного объема рабочей секции установлены топливные форсунки.