Свободнопоршневой генератор газа Советский патент 1989 года по МПК F02B71/00 

Изобретение относится к свободнопорш- невым двигателям двустороннего действия и может быть использовано как генератор газа.

Целью изобретения является улучшение продувки свободнопоршневого генератора газа (СПГГ) путем реализации разделенного выхлопа на больших нагрузках за счет принудительного открытия дополнительных выхлопных окон.

На фиг. 1 изображена обшая схема СПГГ; на фиг. 2 - золотниковый выпускной клапан, закрываюший дополнительное выпускное окно, и механизм привода этого -клапана; на фиг. 3 - золотниковый механизм, закрываюший дополн ительное выпускное окно, в связи с диаграммами движения цилиндра, дополнительных выпускных окон и клапана в функции перемещения поршня; на фиг. 4 - индикаторная диаграмма СПГГ в координатах Р (давление) и V (объем полости цилиндра и фазы газораспределения).

СПГГ двycfopoннeгo действия состоит из цилиндра 1 и поршня 2. Цилиндр 1 имеет торцовые стенки - головки-3 и 4 с впускными окнами 5 и 6 и выпускные окна 7. В цилиндре 1 расположен поршень 2, имеюший выступы 8 и 9. Поршень разделяет цилиндр на верхнюю (фиг. 2) 10 и нижнюю (фиг. 2) 11 полости.

Размеры поперечного сеченкя выступов 8, 9 соответствуют размерам окон 5, 6. Для уплотнения зазоров в окнах 5. 6 на выступах 8, 9 могут быть установлены уплотнения. Окна 5, 6 закрыты выпускными коллекторами (не показаны), являющимися одновременно и кожухами, предохраняюшимн от контакта с выступами поршня.

Цилиндр устанавливается на основании подвижно и удерживается слабыми пружинами, усилие предварительной затяжки которых равно силе случайных воздействий, а при вертикальной компоновке СПГГ - сумме веса и этих сил. Жесткость пружины может быть минимальной, а ход деформации должен превышать амплитуду колебаний цилиндра.

При жестких пружинах увеличиваются нагрузки на фундамент и даже могут возникнуть биения цилиндра, сказывающиеся

сл

о

00

на стабильности рабочих циклов. Если выполнять пружины слабы ли, чтобы цилиндр почти свободно совершал колебания, последний ввиду высокой цикличности мало удаляется от начального положения (на 5- 35 мм) и передает на фундамент очень малые нагрузки, равные усилию слабых пружин при указанных деформациях.

Если по конструктивным соображениям возможно перемещение цилиндра на длину X а максимальная амплитуда колебаний цилиндра равна А,,,ах, минимальная жесткость пружины определяется из соотношений:

A--,,,«.v-f ALc.,;

ALc., где Af ел и ALt

Afc С

(2)

соответственно сила случайных воздействий и пе- ре.мещение под действием этой силы;

С - жесткость пружины. Если используется пружина с предварительной затяжкой, то величина предварительной затяжки выбирается такой, чтобы уравновесить случайные воздействия, и также определяется из соотношений (1) и (2). При вертикальной компоновке вес прибавляется к силе случайных воздействий. С позиций надежности лучшим является вариант выполнения СПГГ, при котором Окна 5, 6 яв.ляются впускными, т. е. соединены с виускным коллектором, а окна 7 яв- выпускными. В этом варианте длина выступов превын1ает рабочий ход поршня. Рациональна длина выступов, равная сумме геометрического хода поршня и длины образующей окна в головке. Выстуны поршня выполнены полыми, толщина уменьшается но мере удаления от поршня. Последнее связано с тем, что обусловленные силой инерции нагрузки убывают в направлении от поршня к концу выступов. В стенках полых частей выступов имеются прорези 12.

В поршне для его охлаждения поступающим воздухом .могут выполняться каналы, выходящие в полую часть выступов. В каналах могут быть расположены самодействующие клапапы. Рационально также .масляное охлаждение поршня выполнением герметичных частично заполненных маслом полостей, связывающих поршень и выступы. Эти полости могут быть превращены в тепловые трубы, что позволит еще лучше охлаждать поршень.

Кроме этого варианта, в котором окна 5, 6 являются впускными, а окна 7 - выпускными, возможен вариант, в котором окна 5, 6 являются выпускными - выпуск производится через прорези и внутреннюю часть полых выступов, а окна 7 являются впускными.

Использование выступов как органов впуска целесообразнее, чем их использова

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ние как органов выпуска, с точки зрения надежности, термостойкости и прочности. ,П.ействительно, при выступах - элементах органов впуска --- прорезанная часть выступов начинается ближе к их концу. Это позволяет увеличить внутренний диаметр, следовательно, уменьшить вес. Кроме того, уменьщение веса обуславливается снижением тепловой напряженности. А- инималь- ная длина цилиндра в этом варианте меньше.

Ввиду высокой частоты циклов, обус;;ав- ливающей малое время газообмена, наилучшим вариантом СПГГ является двигатель, снабженный дополнительными выпускными окнами (фиг. 1--3) 13 и 14, закрытыми дополнительными клапанами - блоками 15 и 16. Клапаны дополнительных блоков могут быть различий конструкции (например, самодействующие клапаны и др.). Конструкция, обеспечивающая надежность и оптимальность фазы газораспределен.чя, приведена на фиг. 2, 3. В этом варианте выполнения блока-выпуска клапаны 17 приводятся в движение кризошипно-и1атуипым механизмом, кривошип 18 которого связан шатуном 19 с цилиндром 1. Кривошип 20 этого механизма смещен по углу относительно кривошипа 21 и связан отдельным ц атуном 8 с клапаном 17.

Радиус кривошипа 21 выбран исходя из амплитуды перемещения цилиндра на полной нагрузке, а радиус кривоп ипа 20 - исходя из необходимой амплитуды перемещения клапана 17 (при аксиальных механизмах указанные радиусы равны соответствующим амплитудам). Общая ось 22 вращения кривошипов 21 и 20 связана с неподвижным основанием. Эта связь может быть жесткой или допускающей некоторую подвижность (закрепление жесткой пружиной). Некоторую приспособляемость механизму может придать выполнение щатунов изменяемой (в небольших пределах) длины. Центр вращении кривопптов относительно окна 13 специально расположен со стороны центра цилиндра. Это обусловлено тем, что в момент начала открытия направления движения цилиндра и клапана противоположны. Поэтому окно 3 открывается быстро, что уменьшает дросселирование газа высокой энергии. Противоположное расположение указанного центра приводит к совпадению направления скоростей клапана и цилиндра в моменты начала выпуска, что снижает скорость открытия выпускного окна. Дополнительные выпускные клапаны противоположных полостей цилиндра при рациональной организации перемещения этих клапанов движутся по близким траекториям. Поэтому дополнительные выпускные клапаны обеих полостей могут приводиться в движение от одного механизма. Для осуществления топливоподачк и сгорания топлива цилиндр СПГГ снабжен форсунками 23 или свечами и соответствующей топливной ап

паратурой. Выпуск продуктов сгорания может производиться в две турбины,связанные между собой и с потребителем. Можно использовать набор СПГГ, расположенных в виде кольца турбинами или вокруг них. Такая компоновка приближает выпускные окна к турбинам. При одноцилиндровом СПГГ для увеличения массы газа, проходящего через одну турбину, дополнительные выпускные окна 13, 14 с клапанами - бло- ками 15, 16, установленными на этих окнах, соединяются с одной силовой турбиной 24. Подвижный цилиндр и неподвижная турбина (при работе СПГГ как генератора газа для турбины) сопрягаются подвижным уп- лотнительным контактом, который выпол- няется в наиболее узких сечениях. Например, на входе или выходе коллектора.

Для улучшения газообмена СПГГ имеет турбокомпрессор, турбина которого может располагаться за силовой турбиной или за основным выпускным коллектором.

Работа дополнительных выпускных клапанов, изображенных на фиг. 1-3, основана на том, что цилиндр, закрепленный подви.ж- но (на пружинах), движется вверх (фиг. 2) от НМТ полости 10 к этой полости, ци- линдр 1 перемещается вниз, и наоборот, когда порщень движется вниз, цилиндр - вверх Движение цилиндра 1 через шатун 19 приводит во вращение кривошип 21. Кривошип 20 жестко соединен с шатуном 19 и по углу сдвинут относительно него в сторону, противоположную направлению вращения. Таким образом, кривошип 20 повторяет вращательное движение кривошипа 21 с фазовым запаздыванием.

На фиг. 3 слева изображены: половина (до оси) продольного разреза цилиндра, золотниковый клапан с кривошипно-шатун- ным приводом. Там же стрелками показаны принятые направления отсчета пере.мешений поршня, цилиндра и клапана. Их перемеше- ние вверх (по фиг. 3) считается положитель- ным, вниз - отрицательным. За нуль принято положение, при котором поршень находится посредине цили1(дра. На диаграмме в правой части фиг. 3 перемещения поршня Sii .ip, как независи.мая переменная, отложены по оси абсцисс. По оси ординат отложены перемешения цилиндра SUH.,. Положительному перемещению цилиндра соответствует отрицательное перемещение поршня и наоборот. Положения ВМТ и НМТ для «верхней полости 10 отмечены на чертеже и коир- динатах.

Траектории движения границ дополнительного выпускного окна обозначены SOK. Поскольку окно выполнено в цилиндре, его траектория эквидистантна траектории движения цилиндра (центра цилиндра). Траек- тория движения конца золотникового клапана 5кл близка к эллипсу с осями, повернутыми относительно принятых осей координат. Положения, при которых конец золотника

0

р 5

5

0 5

0

5

0

находится ниже верхней границы окна, соответствует открытому окну. Расстояние, на которое клапан окрыл окно, изображено штриховкой. При данном механизме распределения клапан начинает открывать окно ВМТ (точка 6). Истечения в этот момент не происходит, т. к. дополнительное выпускное окно 13 перекрыто боковой поверхностью порщня. Затем клапан открывает окно полностью (точка в). При приближении поршня к центру цилиндра, к основному выпускному окну 7, дополнительный выпускной клапан закрывает окно (точка с ) с некоторым перекрытием фаз дополнительного и основного окон.

Изменяя геометр1-;в кривошипно-шатун- ного механизма к др. узлов данного клапанного блока и его привода, можно осуществить любые заданные фазы газораспределения. Так, увеличив длину кривошипа 20, можно умены11ить продолжительность открытия окна 13.

Г1{41 уменьшении нагрузки уменьшается амплитуда колебаний цилиндра. Вследствие этого кривошипы 20 и 2 не совери зют полного оборота. Их возвратно-враш.ательное (качательное) перемещение приводит к тому что клапан 17 остается закрытым.

СПГГ может работать как по циклу с са- мовоспламене1И1ем, так и по циклу с принудительным зажиганием.

Рассмотрим работу СПГГ по дизельному циклу.

При движении поршня вниз в верхней полост11 10, заключечгхзй между поршнем 2 и головкой 3, происходит процесс расп1ире- ния, 113ображенный на индикаторной диаграмме (фиг. 4) кривой между объемами в точках а и б. Когда поршень 2, двигаясь вниз, проходит дополнительные выпускные окна 13, клана 17 открывает эти окна, продукты сгорания, обладающие высокой энергией (давлением и температурой), вы.ходят в дополнительный выпускной коллектор и силовую турбину 24 (направление движения продуктов сгорания из окон 13 и 14 показано стрелками на фиг. 1). После силовой турбины продукты сгорания л огут поступать на турбину турбокомпрессора (в варианте, когда турбина последнего расположена после турбины турбокомпрессора (ТКР).

Вследствие истечения газа давление в полости 10 падает и приблп.ч ается к давлению перед силовой турбиной Р--.-. Индикаторная диаграмма этого процесса изображена ка фиг. 4 линией б-н. При дальнейшем движении пор1пня 2 K. ianan 7 ii.i;iBno закрывает окно 13, истечение продуктов сгорания умень- пается, а в точке г нрекращаегся (кривая б-г). Когда пор пень проходит выпускное окно 7, продукты сгорания низкого ,1,аилепия устремляются из по. ьостн 10 в это окпо и далее в атмосфер} пл .; турбин}- ТКР н зависимости от вариа; та расположения ТКР. Давление в пилиндое npii этом им1Ы11астся и

становится ниже давления носле компрессора. Это давление обозначено Р . Прн дальнейшем неремен1ении поргния и связанном с ним неремещении выстуна 9 прорези 12 входят в нолость 10. Через эти прорези и внутреннюю нолость выступа 9 полость сооб- П1ается с впускным коллектором и компрессором турбокомпрессора. Сжатый в последнем воздух поступает в полость 10 и осу- П1ествляет наполнение. Движение воздуха через внутреннюю часть выступа способствует отводу тепла от поршня, что снижает его теплонанряженность и повышает надежность СП ГГ. Далее, двигаясь вниз, поршень сжимает свежий заряд в Полости 11, и туда же подается топливо. После достижения необходимой степени сжатия в полости 1 1 нроисходит самовоспламенение топлива. Давление в полости 1 1 резко повышается, в результате чего поршень 2 прекращает движение вниз и начинает двигаться вверх. В полости 10 при движении поршня вверх продолжается наполнение и осушествляется выталкивание в окна 7 оставшихся продуктов сгорания и продувка. После того, как при движении вверх поршня и выступа 9 прорези 12 минуют окна 6 в головке 3, пре- крашается впуск. Затем nopiuenb 2 проходит окна 7, что прекращает выталкивание остатков продуктов сгорания и продувку.

При последующем движении поршня вверх к ВМТ полости 10 клапан 17 по-прежнему закрывает окно 13 (фиг. 3) и в полос- ти 10 происходит сжатие свежего заряда (кривая л-м на фиг. 4), топливоподача н самовоспламенение топлива. После сгорания топлива давление в полости 10 возрастает (кривая м-а и далее), под действием этого давления поршень движется вниз, на- чинается такт расширения и т. д. В полости 11 происходят те же процессы, но сдвинутые по фазе относительно процессов в полости 10.

На малых нагрузках (малых цикловых подачах топлива) уменьшается амплитуда перемещений цилиндра и поршня и,- как указано выше, дополнительное выпускное ок- но 13 остается закрытым в течение всего цикла. Энергия газа расходуется на разгон поршня и поддержание рабочего состояния СПГГ. Такое саморегулирование СПГГ особенно полезно для режимов холостого хода, пуска, когда энергия газа мала и ее не хватает для разгона поршня и одновременного привода турбины высокого давления.

Основные преимуп ества предлагаемого СПГГ заключаются в следующем. Разделенный выпуск в сочетании с окнами в головках и гильзе обеспечивают хорошие фазы газораспределения и газообмен даже при высокой частоте циклов СПГГ. Это повышает КПД. Наличие на поршне полых выступов с прорезями позволяет одним и тем же поршнем открывать и закрывать окна в головке и гильзе. Простой и прочный механизм позволяет в однопоршневом двигателе открывать дополнительные выпускные окна на такте расширения, не открывая их на такте сжатия. Указанные механизмы газораспределения более просты и надежны, чем известные.

Кроме того, механизм открывания дополнительных выпускных окон не открывает эти окна на режимах малых нагрузок и пуска, что улучшает пуск и повышает КПД на этих нагрузках.

Формула изобретения

1.Свободнопоршневой генератор газа двустороннего действия, установленный на неподвижном основании, содержащий поршневую группу и рабочий цилиндр с торцовыми стенками и впускными отверстями, расположенными в его средней части и соединенными с нагнетателем, и выпускными отверстиями, связанными, по меньшей мере, с одной газовой турбиной, отличающийся тем, что, с целью улучшения продувки, цилиндр установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения и снабжен по меньшей мере двумя дополнительными выхлопными окнами, размещенными между впускными отверстиями и торцовыми стенками, и золотниковыми запорными органами, связанными через шатуны с валом, установленным на неподвижном основании, имеющим привод в виде дополнительного кривошипа и шатуна, сочлененного с рабочим цилиндром, причем кривощипы установлены со смещением по углу поворота вала.

2.Генератор по п. 1, отличающийся тем, . что поршневая группа снабжена полыми торцовыми направляющими штоками, а выпускные окна выполнены в виде радиальных каналов на боковой поверхности штоков.

16

Z3

Фиг.1

Изобретение относится к свободнопоршневым генераторам газа и позволяет улучшить продувку рабочего цилиндра генератора двустороннего действия с одной поршневой группой за счет организации разделенного выхлопа на больших нагрузках. В дополнение к штатным продувочным и выхлопным органам газораспределения в рабочем цилиндре выполнены дополнительные выпускные отверстия, открываемые подвижными золотниками, имеющими привод через кривошипно-шатунный механизм, связанный с рабочим цилиндром. Эффект разделенного выхлопа возникает при взаимном возвратно-поступательном перемещении рабочего цилиндра генератора, закрепленного на неподвижном основании, и подвижных золотников при достаточно больших амплитудах колебаний. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

лгча

, Выпуск газов ды- сотго давления

гс РК

S порош.