Свободнопоршневой генератор газа и способ его работы в режиме термодинамического цикла сгорания гомогенной топливно-воздушной смеси с воспламенением от сжатия Российский патент 2023 года по МПК F02B71/06 F02B43/04 

Изобретение относится к свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания, двигателям внутреннего сгорания с регулируемой степенью сжатия, термодинамическому циклу сгорания гомогенной топливно-воздушной смеси с воспламенением от сжатия (HCCI Homogeneous charge compression ignition).

Известен классический свободнопоршневой генератор газа (СПГГ) GS-34 французской фирмы SIGMA («Свободнопоршневые генераторы газа для газотурбинных установок», авторы: Кошкин В.Г., Майзель Л.М., Черномордик Б.М., 1963 г. - выбранный авторами за прототип) (далее - классический СПГГ).

В этом двигателе газ для турбины вырабатывается в свободнопоршневом генераторе, представляющем собой двухтактный дизель и поршневой компрессор, объединенные в общем блоке. Энергия от поршней дизеля передается непосредственно поршням компрессора.

Ввиду того, что движение поршневых групп осуществляется исключительно под действием давления газов и режим движения зависит только от протекания термодинамических процессов в дизельном и компрессорных цилиндрах, такой агрегат и называется свободнопоршневым. В его средней части расположен открытый с двух сторон цилиндр, в котором протекает двухтактный рабочий процесс с воспламенением от сжатия. Цилиндр выполнен с прямоточной щелевой продувкой. В цилиндре оппозитно перемещаются два поршня, которые связаны между собой легким реечным синхронизирующим механизмом, один из которых во время рабочего хода открывает, а во время возвратного хода закрывает выхлопные окна, прорезанные в стенках цилиндра. Другой поршень также открывает и закрывает продувочные окна. Когда они сближаются, воздух, заключенный между ними, сжимается; к моменту достижения мертвой точки температура сжимаемого воздуха становится достаточной для воспламенения топлива, которое впрыскивается через форсунку.

В результате сгорания топлива образуются газы, обладающие высокой температурой и давлением; они заставляют поршни разойтись в стороны. С поршнями связаны компрессорные поршни, двигающиеся в своих цилиндрах.

При расходящемся ходе поршней идет всасывание воздуха из атмосферы в компрессорные цилиндры, при этом самодействующие впускные клапана открыты, а выпускные закрыты. При встречном ходе поршней впускные клапана закрыты, а выпускные открыты и через них воздух нагнетается в ресивер, окружающий дизельный цилиндр. Поршни двигаются навстречу друг другу за счет энергии воздуха, накопившейся в буферных полостях во время предыдущего рабочего хода. Газы из выпускных окон поступают в выпускной коллектор и далее подаются в тяговую турбину, вал которой соединен с трансмиссией.

Конструкция вышеописанного СПГГ создавалась для работы на жидком топливе по термодинамическому циклу Дизеля.

Известен термодинамический цикл с воспламенением однородной горючей смеси от сжатия (HCCI, от англ. Homogeneous charge compression ignition) это рабочий процесс, при котором хорошо смешанное топливо и окислитель сжимаются до точки самовоспламенения. Двигатель HCCI, сочетает в себе характеристики бензинового (цикл Отто, возгорание однородной смеси от искрового зажигания) и дизельного (цикл Дизеля, возгорание стратифицированной смеси от сжатия) двигателей, это сравнительно чистый выхлоп бензиновых и высокое КПД дизельных.

Известные реализации цикла HCCI связаны с модернизацией классических двигателей внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом. HCCI в данном типе двигателей тяжело осуществим, поскольку основной проблемой реализации HCCI цикла является высокое максимальное давление сгорания (Pz) и скорость нарастания давления (dPz/dt). В HCCI двигателе топливовоздушная смесь воспламеняется одновременно и сгорает за меньшее время, чем время сгорание смеси в бензиновом или дизельном двигателе, при этом давление и выделение энергии значительно выше. При слишком раннем самовоспламенении или выделении чрезмерно количества энергии повышение максимального давления Pz сверх допустимого может привести к разрушению двигателя.

Для решения проблем реализации цикла HCCI известно много способов управления условиями, инициирующими самовоспламенение, это регулирование процента рециркуляции выхлопных газов (система EGR), добавление дополнительного топлива с другими физико-химическими характеристиками, изменение параметров топливной смеси, регулирование температуры и давления надува и т.д. Эти способы характеризуются конструктивной сложностью и высокой стоимостью.

Радикальные способы регулирования Pz и dPz/dt применялись при разработке двигателей внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия. Наиболее перспективными решениями считались применение поршней специальной конструкции -«ПАРСС» (поршень, автоматически регулирующий степень сжатия) способных осуществлять автоматическое регулирование степени сжатия за счет изменения объема камеры сгорания над поршнем, а также применение специальных камер в головке блока с изменяемым объемом, в том числе для дизелей - «ВКАРО» (вихревая камера, автоматически регулирующая объем) («Двигатели внутреннего сгорания с автоматическим регулированием степени сжатия», автор: Махалдиани В.В., Леонидзе A.M., 1973 г., «Двигатели с переменной степенью сжатия», автор Демидов В.П. 1978).

Известные конструкции устройств регулирования максимального давления сгорания снижают вероятность возникновения аварийного Pz, но не исключают полностью риск разрушения двигателя, и в первую очередь коленчатого вала.

Описанные выше проблемы реализации HCCI характерны для ДВС с кривошипно-шатунным механизмом («Двигатели внутреннего сгорания с автоматическим регулированием степени сжатия», авторы: Махалдиани В.В., Леонидзе A.M., 1973 г.; «Двигатели с переменной степенью сжатия», автор: Демидов В.П. 1978.) СПГГ не имеют кривошипно-шатунного механизма (коленчатого вала), поршни не имеют жесткой связи с корпусом двигателя и перемещаются в цилиндрах свободно, эта конструктивная особенность определяет СПГГ как двигатель с переменной степенью сжатия, а значит конструктивно СПГГ максимально эффективный двигатель для реализации HCCI сгорания.

Технической проблемой, существующей в настоящее время, является отсутствие достаточно надежных и простых двигателей, в которых мог бы быть реализован цикл HCCI, обеспечивающий высокое КПД двигателей и наиболее полное сгорание топливной смеси.

Задачей предлагаемого изобретения является модернизация классического СПГГ с целью реализации в нем цикла HCCI.

Техническим результатом является значительное повышение КПД свободнопоршневого генератора газа при одновременном обеспечении наиболее полного сгорания топливной смеси, а также обеспечение возможности работы СПГГ на широком спектре топлива.

Для возможности реализации цикла HCCI в классическом СПГГ, предлагается произвести конструктивные изменения, связанные:

- с заменой дизельной топливной аппаратуры на газовую,

- организацией процесса образования гомогенной топливной смеси.

- поддержанием условий самовоспламенения смеси, что позволит осуществить эффективный принцип работы СПГГ по циклу HCCI.

Для достижения технического результата в свободнопоршневом генераторе газа, включающем:

- цилиндр с прямоточной щелевой продувкой, имеющий выпускные и впускные окна, связанные с выпускным и впускным коллекторами,

- размещенные в цилиндре оппозитно перемещающиеся два поршня, которые связаны с поршнями компрессора, размещенными в цилиндрах компрессора,

- присоединенные к воздуховодам устройства пневматического пуска,

- а также ресивер, размещенный в центральной части двигателя и соединенный с цилиндрами компрессора через выпускные клапаны, при этом поршни двигателя связаны между собой реечным механизмом синхронизации,

предлагается установить газовые форсунки на входе во впускные воздушные коллекторы для смешивания газового топлива с воздухом, поступающим в цилиндры компрессоров,

- на месте дизельных форсунок установить заглушки и датчик давления и температуры,

- в качестве регулятора степени сжатия топливной смеси использовать перепускные клапанные устройства, соединяющее ресивер и буферные полости цилиндров компрессора.

Также для достижения технического результата предлагается способ работы свободнопоршневого генератора газа по п. 1 в режиме термодинамического цикла сгорания гомогенной топливно-воздушной смеси с воспламенением от сжатия (HCCI) заключающийся в том, что при помощи устройства пневматического пуска, подающего воздух под давлением через воздуховоды в буферные зоны цилиндров компрессора производится запуск СПГГ, при этом поршни СПГГ с помощью реечного механизма синхронизации разведены в нижние мертвые точки для заполнения цилиндра топливно-воздушной смесью, при сближении поршней под действием сжатого воздуха в положение верхних мертвых точек топливовоздушная смесь, заключенная между ними, сжимается до температуры достаточной для самовоспламенения смеси, при этом для получения однородной (гомогенной) топливовоздушной смеси, после забора воздуха через два воздушных фильтра, в поступивший в два впускных воздушных коллектора воздух, через две форсунки подается газообразное топливо, в результате сгорания смеси образуются газы высокой температуры и давления, под действием которых поршни разводятся в стороны, один из поршней во время рабочего хода открывает, а во время возвратного хода закрывает выпускные окна, прорезанные в стенках цилиндра, через которые газы выходят в выпускной коллектор, второй поршень во время хода открывает и закрывает продувочные окна, после открытия которых, в цилиндр из ресивера поступает сжатая топливовоздушная смесь, за время открытия продувочных окон, сжатая топливовоздушная смесь продувает цилиндр от выхлопных газов и заполняет его, подготовив двигатель к следующему рабочему ходу, причем управление работой двигателя осуществляется изменением количества подаваемой топливной смеси и регулированием степени ее сжатия с помощью перепускного клапанного устройства, соединяющего ресивер и буферные полости цилиндра компрессора.

Увеличение давления в буферных полостях ведет к сокращению ходов поршней и смещению нижней и верхней мертвых точек к центру двигателя, снижение давления в буферных полостях приводит к обратному эффекту. Таким образом, перепускное клапанное устройство, соединяющее буферные полости и ресивер, позволяет регулировать давление в буферных полостях, за счет сброса или поднятия.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:

Фиг. 1, на которой приведен чертеж свободнопоршневого генератора газа, модернизированного для работы в режиме HCCI,

Фиг. 2, на которой изображено перепускного клапанного устройства,

Фиг. 3, на которой изображен реечным механизмом синхронизации где:

1 - цилиндр

2, 3 - поршни

4 - выпускные окна

5 - продувочные окна

6 - камера сгорания

7, 8 - буферные полости

9, 10 - поршни компрессора

11, 12 цилиндры компрессора

13 - воздуховоды

14, 15 - компрессорные полости

16, 17 - впускные клапаны

18, 19 - выпускные клапаны

20 ресивер

21, 22 форсунки газообразного топлива

23 - впускной воздушный коллектор

24 - фильтр воздушный

25 - выпускной воздушный коллектор

26 - перепускное клапанное устройство

27 - заглушки

28 - датчик давления и температуры

29 - реечным механизмом синхронизации.

При конверсии классического дизельного СПГГ на газовое топливо, дизельные форсунки демонтируются, на их посадочные места в цилиндре 1 устанавливаются заглушки 27 и датчик 28 для контроля давления и температуры в камере сгорания. Подача газа производится через газовые форсунки 21, 22, которые устанавливаются не в цилиндр 1, а во впускной воздушный коллектор 23. Данное расположение точек подачи газа обеспечивает получение однородной (гомогенной) топливовоздушной смеси. Газ и воздух перемешиваются во впускном коллекторе, далее процесс образования гомогенной топливной смеси продолжается в компрессорных полостях 14, 15 и ресивере 20.

Двигатель СПГГ состоит из цилиндра 1, имеющего прямоточную щелевую продувку, в котором протекает двухтактный рабочий процесс с воспламенением от сжатия. В цилиндре оппозитно перемещаются два поршня, поршень 3 во время рабочего хода открывает, а во время возвратного хода закрывает выпускные окна 4, прорезанные в стенках цилиндра. Поршень 2 во время хода открывает и закрывает продувочные окна 5. Поршни связаны между собой реечным механизмом синхронизации движения 29 (на Фиг. 3).

Когда поршни сближаются, топливовоздушная смесь, заключенная между ними, сжимается до температуры достаточной для самовоспламенения смеси, это положение является верхней мертвой точкой (ВМТ). Пространство цилиндра, заключенное между поршнями в ВМТ, образует камеру сгорания 6.

Для получения однородной (гомогенной) топливовоздушной смеси, газообразное топливо подается через форсунки 21, 22 после воздушного фильтра во впускной воздушный коллектор 23.

Запуск СПГГ производит устройство пневматического пуска (на фиг. 1 не показано), подающее воздух под давлением через воздуховоды 13. Перед пуском поршни 2-3 разводятся механизмом синхронизации в нижние мертвые точки (НМТ). Цилиндр заполняется топливной смесью. Сжатый воздух подается в буферные полости 7, 8 под давлением, необходимым для резкого перемещения поршней в ВМТ и создания в камере сгорания условий для самовоспламенения смеси.

В результате сгорания смеси образуются газы высокой температуры и давления, под действием которых поршни 2-3 разводятся в стороны. Поршень 3 открывает выпускные окна 4, через которые газы устремляются в выпускной коллектор. После открытия продувочных окон 5, в цилиндр 1 из ресивера 20 поступает сжатая топливовоздушная смесь. За время открытия продувочных окон, сжатая топливовоздушная смесь продувает цилиндр от выхлопных газов и заполнить его, подготовив двигатель к следующему рабочему ходу.

Поршни двигателя 2, 3 связаны с поршнями 9-10 компрессора перемещающимися в цилиндрах 11-12 компрессора. Возвратное движение поршней компрессора обеспечивают буферные полости, в которых происходит сжатие воздуха при рабочем ходе.

Обратно поступательное движение поршней компрессора создает давление в компрессорных полостях 14-15. При разряжении открываются впускные клапаны 16-17 и в рабочую полость компрессоров поступает топливовоздушная смесь. При сжатии открываются выпускные клапаны 18-19, сжатая топливовоздушная смесь подается в ресивер 20. Продуктом работы СПГГ является сжатый воздух с примесями выхлопных газов и несгоревшей топливной смеси, которая дожигается в выпускном коллекторе.

Управление СПГГ осуществляется изменением количества подаваемой топливной смеси и регулированием степени сжатия. Функцию регулятора степени сжатия выполняет перепускное клапанное устройство 26, соединяющее ресивер 20 и буферные полости 7 и 8.

В результате реализации предлагаемого изобретения удается достичь следующего положительного эффекта:

- становится возможным решение задач регулирования Pz и dPz/dt цикла, что достигается за счет изменяемой степени сжатия СПГГ, это позволит реализовать Pz=idem,

- отсутствие коленчатого вала снимает риск разрушения двигателя при скачках Pz, которые компенсируются изменением степени сжатия, что обеспечит возможность работы с более высокими dPz/dt,

- реализация передового термодинамического цикла HCCI в СПГГ позволит создать двигатели, работающие на широком спектре топлива с высокими показателями эффективности и очень низкими выбросами.

Изобретение может быть использовано в свободнопоршневых двигателях внутреннего сгорания. Свободнопоршневой генератор газа (СПГГ) включает в себя цилиндр (1) с прямоточной щелевой продувкой, цилиндры (11), (12) компрессора, поршни (2) и (3) и ресивер (20). Цилиндр (1) с прямоточной щелевой продувкой имеет выпускные окна (4) и продувочные впускные окна (5), связанные соответственно с выпускным коллектором (25) и впускным коллекторами. В цилиндре (1) размещены два оппозитно перемещающихся поршня (2) и (3). Поршни (2) и (3) связаны с поршнями (9) и (10) компрессора, размещенными в цилиндрах (11) и (12) компрессора. Цилиндры (11) и (12) компрессора присоединены к воздуховодам (13) устройства пневматического пуска. Ресивер 20 размещен в центральной части СПГГ и соединен с цилиндрами (11) и (12) компрессора через выпускные клапаны (18) и (19). Поршни (1) и (2) связаны между собой реечным механизмом синхронизации. На входе в цилиндры (11) и (12) компрессоров установлены два впускных воздушных коллектора (23). В воздушных коллекторах (23) размещены газовые форсунки (21) и (22) для подачи газового топлива. На месте дизельных форсунок установлены заглушки (27) и датчик (28) давления и температуры. В качестве регулятора степени сжатия топливной смеси использовано перепускное клапанное устройства, соединяющее ресивер (20) и буферные полости (7) и (8) цилиндров (11) и (12) компрессора. Раскрыт способ работы СПГГ. Технический результат заключается в обеспечении наиболее полного сгорания топливной смеси. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Свободнопоршневой генератор газа (СПГГ), включающий цилиндр (1) с прямоточной щелевой продувкой, имеющий выпускные (4) и продувочные впускные (5) окна, связанные с выпускным (25) и впускным (23) коллекторами, размещенные в цилиндре оппозитно перемещающиеся два поршня (2), (3), которые связаны с поршнями (9), (10) компрессора, размещенными в цилиндрах (11), (12) компрессора, присоединенным к воздуховодам (13) устройства пневматического пуска, а также ресивер (20), размещенный в центральной части СПГГ и соединенный с цилиндрами (11), (12) компрессора через выпускные клапаны (18), (19), при этом поршни (1), (2) связаны между собой реечным механизмом (29) синхронизации, отличающийся тем, что на входе в цилиндры (11), (12) компрессоров установлены два впускных воздушных коллектора (23), в которых размещены газовые форсунки (21), (22) для подачи газового топлива, на месте дизельных форсунок установлены заглушки (27) и датчик (28) давления и температуры, в качестве регулятора степени сжатия топливной смеси использовано перепускное клапанное устройства (26), соединяющее ресивер (20) и буферные полости (7), (8) цилиндров (11), (12) компрессора.

2. Способ работы СПГГ по п.1 в режиме термодинамического цикла сгорания гомогенной топливно-воздушной смеси с воспламенением от сжатия (HCCI), заключающийся в том, что при помощи устройства пневматического пуска, подающего воздух под давлением через воздуховоды (13) в буферные полости (7), (8) цилиндров (11), (12) компрессора производится запуск СПГГ, при этом поршни (2), (3) с помощью реечного механизма (29) синхронизации разведены в нижние мертвые точки для заполнения цилиндра (1) топливно-воздушной смесью, при сближении поршней (2), (3) под действием сжатого воздуха в положение верхних мертвых точек, топливовоздушная смесь, заключенная между ними, сжимается до температуры достаточной для самовоспламенения смеси, при этом для получения однородной гомогенной топливовоздушной смеси, после забора воздуха через два воздушных фильтра (24), в поступивший в два впускных воздушных коллектора (23) воздух, через две форсунки (21) и (22) подается газообразное топливо, в результате сгорания смеси образуются газы высокой температуры и давления, под действием которых поршни (2), (3) разводятся в стороны, один из поршней (3) во время рабочего хода открывает, а во время возвратного хода закрывает выпускные окна (4), прорезанные в стенках цилиндра, через которые газы выходят в выпускной коллектор, второй поршень (2) во время хода открывает и закрывает продувочные окна (5), после открытия которых, в цилиндр (1) из ресивера 20 поступает сжатая топливовоздушная смесь, за время открытия продувочных окон (5), сжатая топливовоздушная смесь продувает цилиндр (1) от выхлопных газов и заполняет его, подготовив СПГГ к следующему рабочему ходу, причем управление работой СПГГ осуществляется изменением количества подаваемой топливной смеси и регулированием степени ее сжатия с помощью перепускного клапанного устройства (26), соединяющего ресивер (20) и буферные полости (7), (8) цилиндров (11), (12) компрессора.