ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПИТАНИЕМ РАБОЧИМ ТЕЛОМ ОТ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ГЕНЕРАТОРА ГАЗОВ С ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ Российский патент 2012 года по МПК F02B71/06 

Область техники

Изобретение относится к энергомашиностроению.

Уровень техники

Ближайшие аналоги заявленного изобретения - патенты RU 2324060 С1 «Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя с двумя поршнями привода компрессора» и RU 2324830 С1 «Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя с одним поршнем привода компрессора».

Принцип действия обоих генераторов газов во многом схож. Поэтому достаточно рассмотреть принцип действия одного из них, а именно «Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя с двумя поршнями компрессора».

При пуске генератора газов с внешней камерой сгорания (далее - генератор газов) в камеру сгорания 1 (см. чертёж) форсункой 2 подается топливо и воспламеняется свечой зажигания 3. Продукты сгорания через газораспределительный клапан (далее - клапан, патент RU №2349765 С1, «Пневматический привод клапана однотактного свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания») 4 поступают в левую полость поршня привода компрессора 5, в результате чего поршень 5 и соединенный с ним штоком 6 поршень компрессора 7 движутся (по рисунку) слева направо. Так как площадь левой (по рисунку) поверхности поршня 5 больше площади его противоположной поверхности на величину площади поперечного сечения штока 6, то давление воздуха в полости справа от поршня 5 (полость компрессора) больше, чем давление продуктов сгорания слева от поршня 5. Поэтому воздух из правой полости поршня 5 (полости компрессора, клапан 8 закрыт) через клапан 9 поступает в камеру сгорания 1, тем самым обеспечивая воздухом процесс горения топлива. Одновременно при движении поршня 7 воздух (при следующих рабочих циклах продукты сгорания) из его правой полости через клапан 10 (клапан 11 закрыт) выбрасывается в атмосферу, а через открытый клапан 12 воздух из атмосферы засасывается в левую полость поршня 7. При достижении поршнями 5 и 7 крайнего правого положения система управления (не показана) переводит клапаны 4 и 10 в противоположные положения. Теперь продукты сгорания из камеры сгорания поступают в правую полость поршня 7, и поршни 5 и 7 движутся налево. Воздух из левой полости поршня 7 открывает клапан 11 и поступает в камеру сгорания 1. Клапан 9 закрывается и воздух из атмосферы через открывшийся клапан 8 засасывается в правую полость поршня 5. Как только давление продуктов сгорания в камере сгорания достигнет рабочего значения, открывается заслонка 13 и продукты сгорания поступают на расширительную машину.

Из описания принципа действия генератора газов видно, что продукты сгорания из камеры поступают в его цилиндры на протяжении движения поршней от одной крайней точки до другой, при этом температура и давление поступающих в цилиндры продуктов сгорания практически не отличаются от давления их в камере сгорания. Основное расширение продуктов сгорания происходит в выпускном клапане при их выпуске в промежуток времени от открытия до закрытия выпускных клапанов 4 или 10. При этом их энергия не совершает никакой полезной работы. Для эффективного преобразования энергии расширяющихся продуктов сгорания необходимо организовать их расширение непосредственно в цилиндре расширительной машины генератора газов - заявка №2010119000 «Оптимизация процесса расширения продуктов сгорания свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания», дата поступления 11.05.2010, входящий №026958. По аналогии с ДВС цилиндр генератора газов можно условно разделить на два объема. Первый, меньший, соответствует камере сгорания ДВС - виртуальная камера сгорания. В зависимости от направления движения поршневой группы она попеременно находится то с одной, то с другой головки цилиндра. Остальной объем цилиндра, по сути как и в ДВС, виртуальный рабочий объем. В начале рабочего такта, когда поршневая группа находится в исходной точке движения (например, на рисунке, слева), система управления открывает впускной клапан 4 и продукты сгорания из камеры сгорания поступают в виртуальную камеру сгорания цилиндра, температура и давление которых практически равны таковым в камере сгорания 1. Поршни начинают движение слева направо и, когда они пройдут виртуальную камеру сгорания, система управления закрывает впускной клапан 4, прекращая доступ продуктов сгорания в цилиндр. С этого момента начинается собственно процесс расширения продуктов сгорания. Моменты открытия и закрытия газораспределительного клапана - длительность впуска продуктов сгорания в цилиндр - система управления определяет с учетом температуры и давления продуктов сгорания таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность процесса их расширения в виртуальном рабочем объеме цилиндра. Таким образом, рабочий такт с термодинамической точки зрения аналогичен таковому в дизельном двигателе. Отличие состоит в том, что длина хода поршневой группы в цилиндре не зависит от конструкции кривошипно-шатунного механизма, которого в энергомодуле попросту нет, и определяется системой управления исходя из требования обеспечения условий оптимального расширения продуктов сгорания и бесшумности в соответствии с физико-химическими характеристиками используемого в данный момент топлива.

Сущность изобретения

Поршневой двигатель с питанием рабочим телом, генерируемым свободнопоршневым генератором газов, действует следующим образом. Как только давление продуктов сгорания в камере сгорания генератора достигнет рабочего значения, система управления открывает заслонку 13 и продукты сгорания поступают к газораспределительным клапанам двигателя. Система управления отслеживает положение поршней в цилиндрах и открывает газораспределительный клапан того цилиндра, в котором поршень находится между начальной и конечной крайними точками движения. Поступающие в цилиндр продукты сгорания воздействуют на поршень и он начинает движение. Энергия движущегося поршня механизмом преобразования движения (для машин с цилиндрическими поршнями кривошипно-шатунный механизм, для машин с роторными поршнями кривошипный) преобразуется в энергию вращения вала отбора мощности. По прибытии поршня в крайнюю конечную точку движения система управления закрывает впускной клапан и открывает выпускной. Механизмом передачи поршень возвращается в исходную точку движения, выталкивая продукты из цилиндра.

Раскрытие изобретения

Поршневой двигатель с питанием рабочим телом от свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания, преобразующий экзотермическую энергию моторного топлива в механическую энергию вращения отбора мощности, включает свободнопоршневой генератор с внешней камерой сгорания, поршневую расширительную машину с впускным и выпускным клапанами с электропневматическим приводом и систему управления, отличается тем, что для обеспечения действия расширительной машины двигателя система управления отслеживает положение поршня в цилиндре расширительной машины и при положении поршня в начальной крайней точке движения открывает впускной клапан, в результате чего поступающие в цилиндр продукты сгорания воздействуют на поршень, приводят его в движение, и по прибытии поршня в крайнюю конечную точку управления закрывает впускной клапан, открывает выпускной клапан и при обратном ходе поршня отработавшие газы выбрасываются из цилиндра, после чего начинается очередной рабочий цикл.

Промышленное применение

Поршневой двигатель с питанием рабочим телом от свободнопоршневого генератора с камерой найдет применение там, где требуется всетопливный двигатель без механической силовой тяги, например, в карьерных автомобилях.

Графический материал

Фигура. Принципиальная схема свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания.

1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4, 10 - газораспределительные клапаны, 5, 7 - поршни, 6 - шток, 8, 9, 11, 12 - обратные клапаны, 13 - заслонка.

Поршневой двигатель с питанием рабочим телом, генерируемым свободнопоршневым генератором газов, действует следующим образом. Как только давление продуктов сгорания в камере сгорания достигнет рабочего значения, открывается заслонка 13 и продукты сгорания поступают к газораспределительным клапанам двигателя. Система управления отслеживает положение поршней в цилиндрах и открывает газораспределительный клапан того цилиндра, в котором поршень находится между начальной и конечной крайними точками движения. Поступающие в цилиндр продукты сгорания воздействуют на поршень, в результате чего поршень начинает движение, и кинетическая энергия движущегося поршня механизмом передачи преобразуется в энергию вращения вала отбора мощности. По прибытии поршня в крайнюю конечную точку движения система управления переводит газораспределительный клапан из положения, обеспечивающего поступление продуктов сгорания из камеры сгорания в цилиндр, в положение, при котором отработавшие газы выбрасываются в атмосферу. Изобретение обеспечивает повышение эффективности преобразования энергии расширяющихся газов. 1 ил.

Поршневой двигатель с питанием рабочим телом от свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания, преобразующий экзотермическую энергию моторного топлива в механическую энергию вращения отбора мощности, включает свободнопоршневой генератор газов с внешней камерой сгорания, поршневую расширительную машину с впускным и выпускным клапанами с электропневматическим приводом и систему управления, отличающийся тем, что для обеспечения действия расширительной машины двигателя система управления отслеживает положение поршня в цилиндре расширительной машины и при положении поршня в начальной крайней точке движения открывает впускной клапан, в результате чего поступающие в цилиндр продукты сгорания воздействуют на поршень, приводят его в движение и по прибытии поршня в крайнюю конечную точку движения система управления закрывает впускной клапан, открывает выпускной клапан и при обратном ходе поршня отработавшие газы выбрасываются из цилиндра, после чего начинается очередной рабочий цикл.