SU1508001A1 - Свободнопоршневой генератор газа - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к свободнопоршневым генераторам газа и позвол ет улучшить продувку рабочего цилиндра генератора двустороннего действи  с одной поршневой группой за счет организации разделенного выхлопа на больших нагрузках. В дополнение к штатным продувочным и выхлопным органам газораспределени  в рабочем цилиндре выполнены дополнительные выпускные отверсти , открываемые подвижными золотниками, имеющими привод через кривошипно-шатунный механизм, св занный 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.

Description

Изобретение относитс  к свободнопорш- невым двигател м двустороннего действи  и может быть использовано как генератор газа.

Целью изобретени   вл етс  улучшение продувки свободнопоршневого генератора газа (СПГГ) путем реализации разделенного выхлопа на больших нагрузках за счет принудительного открыти  дополнительных выхлопных окон.

На фиг. 1 изображена обша  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 св зи с диаграммами движени  цилиндра, дополнительных выпускных окон и клапана в функции перемещени  поршн ; на фиг. 4 - индикаторна  диаграмма СПГГ в координатах Р (давление) и V (объем полости цилиндра и фазы газораспределени ).

СПГГ двycfopoннeгo действи  состоит из цилиндра 1 и поршн  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 раздел ет цилиндр на верхнюю (фиг. 2) 10 и нижнюю (фиг. 2) 11 полости.

Размеры поперечного сеченк  выступов 8, 9 соответствуют размерам окон 5, 6. Дл  уплотнени  зазоров в окнах 5. 6 на выступах 8, 9 могут быть установлены уплотнени . Окна 5, 6 закрыты выпускными коллекторами (не показаны),  вл ющимис  одновременно и кожухами, предохран юшимн от контакта с выступами поршн .

Цилиндр устанавливаетс  на основании подвижно и удерживаетс  слабыми пружинами , усилие предварительной зат жки 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 увеличиваютс  нагрузки на фундамент и даже могут возникнуть биени  цилиндра, сказывающиес 

сл

о

00

на стабильности рабочих циклов. Если выполн ть пружины слабы ли, чтобы цилиндр почти свободно совершал колебани , последний ввиду высокой цикличности мало удал етс  от начального положени  (на 5- 35 мм) и передает на фундамент очень малые нагрузки, равные усилию слабых пружин при указанных деформаци х.

Если по конструктивным соображени м возможно перемещение цилиндра на длину X а максимальна  амплитуда колебаний цилиндра равна А,,,ах, минимальна  жесткость пружины определ етс  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 используетс  пружина с предварительной зат жкой, то величина предварительной зат жки выбираетс  такой, чтобы уравновесить случайные воздействи , и также определ етс  из соотношений (1) и (2). При вертикальной компоновке вес прибавл етс  к силе случайных воздействий. С позиций надежности лучшим  вл етс  вариант выполнени  СПГГ, при котором Окна 5, 6  в.л ютс  впускными, т. е. соединены с виускным коллектором, а окна 7  в- выпускными. В этом варианте длина выступов превын1ает рабочий ход поршн . Рациональна длина выступов, равна  сумме геометрического хода поршн  и длины образующей окна в головке. Выстуны поршн  выполнены полыми, толщина уменьшаетс  но мере удалени  от поршн . Последнее св зано с тем, что обусловленные силой инерции нагрузки убывают в направлении от поршн  к концу выступов. В стенках полых частей выступов имеютс  прорези 12.

В поршне дл  его охлаждени  поступающим воздухом .могут выполн тьс  каналы, выход щие в полую часть выступов. В каналах могут быть расположены самодействующие клапапы. Рационально также .масл ное охлаждение поршн  выполнением герметичных частично заполненных маслом полостей, св зывающих 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  вл ютс  впускными, а окна 7 - выпускными , возможен вариант, в котором окна 5, 6  вл ютс  выпускными - выпуск производитс  через прорези и внутреннюю часть полых выступов, а окна 7  вл ютс  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 зрени  надежности, термостойкости и прочности. ,П.ействительно, при выступах - элементах органов впуска --- прорезанна  часть выступов начинаетс  ближе к их концу. Это позвол ет увеличить внутренний диаметр, следовательно, уменьшить вес. Кроме того, уменьщение веса обуславливаетс  снижением тепловой напр женности. А- инималь- на  длина цилиндра в этом варианте меньше.

Ввиду высокой частоты циклов, обус;;ав- ливающей малое врем  газообмена, наилучшим вариантом СПГГ  вл етс  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.). Конструкци , обеспечивающа  надежность и оптимальность фазы газораспределен.ч , приведена на фиг. 2, 3. В этом варианте выполнени  блока-выпуска клапаны 17 привод тс  в движение кризошипно-и1атуипым механизмом , кривошип 18 которого св зан шатуном 19 с цилиндром 1. Кривошип 20 этого механизма смещен по углу относительно кривошипа 21 и св зан отдельным ц атуном 8 с клапаном 17.

Радиус кривошипа 21 выбран исход  из амплитуды перемещени  цилиндра на полной нагрузке, а радиус кривоп ипа 20 - исход  из необходимой амплитуды перемещени  клапана 17 (при аксиальных механизмах указанные радиусы равны соответствующим амплитудам). Обща  ось 22 вращени  кривошипов 21 и 20 св зана с неподвижным основанием. Эта св зь может быть жесткой или допускающей некоторую подвижность (закрепление жесткой пружиной). Некоторую приспособл емость механизму может придать выполнение щатунов измен емой (в небольших пределах) длины. Центр вращении кривопптов относительно окна 13 специально расположен со стороны центра цилиндра. Это обусловлено тем, что в момент начала открыти  направлени  движени  цилиндра и клапана противоположны. Поэтому окно 3 открываетс  быстро, что уменьшает дросселирование газа высокой энергии. Противоположное расположение указанного центра приводит к совпадению направлени  скоростей клапана и цилиндра в моменты начала выпуска, что снижает скорость открыти  выпускного окна. Дополнительные выпускные клапаны противоположных полостей цилиндра при рациональной организации перемещени  этих клапанов движутс  по близким траектори м. Поэтому дополнительные выпускные клапаны обеих полостей могут приводитьс  в движение от одного механизма. Дл  осуществлени  топливоподачк и сгорани  топлива цилиндр СПГГ снабжен форсунками 23 или свечами и соответствующей топливной ап

паратурой. Выпуск продуктов сгорани  может производитьс  в две турбины,св занные между собой и с потребителем. Можно использовать набор СПГГ, расположенных в виде кольца турбинами или вокруг них. Така  компоновка приближает выпускные окна к турбинам. При одноцилиндровом СПГГ дл  увеличени  массы газа, проход щего через одну турбину, дополнительные выпускные окна 13, 14 с клапанами - бло- ками 15, 16, установленными на этих окнах, соедин ютс  с одной силовой турбиной 24. Подвижный цилиндр и неподвижна  турбина (при работе СПГГ как генератора газа дл  турбины) сопр гаютс  подвижным уп- лотнительным контактом, который выпол- н етс  в наиболее узких сечени х. Например, на входе или выходе коллектора.

Дл  улучшени  газообмена СПГГ имеет турбокомпрессор, турбина которого может располагатьс  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), движетс  вверх (фиг. 2) от НМТ полости 10 к этой полости, ци- линдр 1 перемещаетс  вниз, и наоборот, когда порщень движетс  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 вращени . Таким образом, кривошип 20 повтор ет 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 прин тые направлени  отсчета пере.мешений поршн , цилиндра и клапана. Их перемеше- ние вверх (по фиг. 3) считаетс  положитель- ным, вниз - отрицательным. За нуль прин то положение, при котором поршень находитс  посредине цили1(дра. На диаграмме в правой части фиг. 3 перемещени  поршн  Sii .ip, как независи.ма  переменна , отложены по оси абсцисс. По оси ординат отложены перемешени  цилиндра SUH.,. Положительному перемещению цилиндра соответствует отрицательное перемещение поршн  и наоборот . Положени  ВМТ и НМТ дл  «верхней полости 10 отмечены на чертеже и коир- динатах.

Траектории движени  границ дополнительного выпускного окна обозначены SOK. Поскольку окно выполнено в цилиндре, его траектори  эквидистантна траектории движени  цилиндра (центра цилиндра). Траек- тори  движени  конца золотникового клапана 5кл близка к эллипсу с ос ми, повернутыми относительно прин тых осей координат. Положени , при которых конец золотника

0

р 5

5

0 5

0

5

0

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

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

Г1{41 уменьшении нагрузки уменьшаетс  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 остаетс  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 поршн  вниз в верхней полост11 10, заключечгхзй между поршнем 2 и головкой 3, происходит процесс расп1ире- ни , 113ображенный на индикаторной диаграмме (фиг. 4) кривой между объемами в точках а и б. Когда поршень 2, двига сь вниз, проходит дополнительные выпускные окна 13, клана 17 открывает эти окна, продукты сгорани , обладающие высокой энергией (давлением и температурой), вы.ход т в дополнительный выпускной коллектор и силовую турбину 24 (направление движени  продуктов сгорани  из окон 13 и 14 показано стрелками на фиг. 1). После силовой турбины продукты сгорани  л огут поступать на турбину турбокомпрессора (в варианте, когда турбина последнего расположена после турбины турбокомпрессора (ТКР).

Вследствие истечени  газа давление в полости 10 падает и приблп.ч аетс  к давлению перед силовой турбиной Р--.-. Индикаторна  диаграмма этого процесса изображена ка фиг. 4 линией б-н. При дальнейшем движении пор1пн  2 K. ianan 7 ii.i;iBno закрывает окно 13, истечение продуктов сгорани  умень- паетс , а в точке г нрекращаегс  (крива  б-г). Когда пор пень проходит выпускное окно 7, продукты сгорани  низкого ,1,аилепи  устремл ютс  из по. ьостн 10 в это окпо и далее в атмосфер} пл .; турбин}- ТКР н зависимости от вариа; та расположени  ТКР. Давление в пилиндое npii этом им1Ы11астс  и

становитс  ниже давлени  носле компрессора . Это давление обозначено Р . Прн дальнейшем неремен1ении поргни  и св занном с ним неремещении выстуна 9 прорези 12 вход т в нолость 10. Через эти прорези и внутреннюю нолость выступа 9 полость сооб- П1аетс  с впускным коллектором и компрессором турбокомпрессора. Сжатый в последнем воздух поступает в полость 10 и осу- П1ествл ет наполнение. Движение воздуха через внутреннюю часть выступа способствует отводу тепла от поршн , что снижает его теплонанр женность и повышает надежность СП ГГ. Далее, двига сь вниз, поршень сжимает свежий зар д в Полости 11, и туда же подаетс  топливо. После достижени  необходимой степени сжати  в полости 1 1 нроисходит самовоспламенение топлива. Давление в полости 1 1 резко повышаетс , в результате чего поршень 2 прекращает движение вниз и начинает двигатьс  вверх. В полости 10 при движении поршн  вверх продолжаетс  наполнение и осушествл етс  выталкивание в окна 7 оставшихс  продуктов сгорани  и продувка. После того, как при движении вверх поршн  и выступа 9 прорези 12 минуют окна 6 в головке 3, пре- крашаетс  впуск. Затем nopiuenb 2 проходит окна 7, что прекращает выталкивание остатков продуктов сгорани  и продувку.

При последующем движении поршн  вверх к ВМТ полости 10 клапан 17 по-прежнему закрывает окно 13 (фиг. 3) и в полос- ти 10 происходит сжатие свежего зар да (крива  л-м на фиг. 4), топливоподача н самовоспламенение топлива. После сгорани  топлива давление в полости 10 возрастает (крива  м-а и далее), под действием этого давлени  поршень движетс  вниз, на- чинаетс  такт расширени  и т. д. В полости 11 происход т те же процессы, но сдвинутые по фазе относительно процессов в полости 10.

На малых нагрузках (малых цикловых подачах топлива) уменьшаетс  амплитуда перемещений цилиндра и поршн  и,- как указано выше, дополнительное выпускное ок- но 13 остаетс  закрытым в течение всего цикла. Энерги  газа расходуетс  на разгон поршн  и поддержание рабочего состо ни  СПГГ. Такое саморегулирование СПГГ особенно полезно дл  режимов холостого хода, пуска, когда энерги  газа мала и ее не хватает дл  разгона поршн  и одновременного привода турбины высокого давлени .

Основные преимуп ества предлагаемого СПГГ заключаютс  в следующем. Разделенный выпуск в сочетании с окнами в головках и гильзе обеспечивают хорошие фазы газораспределени  и газообмен даже при высокой частоте циклов СПГГ. Это повышает КПД. Наличие на поршне полых выступов с прорез ми позвол ет одним и тем же поршнем открывать и закрывать окна в головке и гильзе. Простой и прочный механизм позвол ет в однопоршневом двигателе открывать дополнительные выпускные окна на такте расширени , не открыва  их на такте сжати . Указанные механизмы газораспределени  более просты и надежны, чем известные.

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

Claims (2)

1.Свободнопоршневой генератор газа двустороннего действи , установленный на неподвижном основании, содержащий поршневую группу и рабочий цилиндр с торцовыми стенками и впускными отверст ми, расположенными в его средней части и соединенными с нагнетателем, и выпускными отверсти ми, св занными, по меньшей мере, с одной газовой турбиной, отличающийс  тем, что, с целью улучшени  продувки, цилиндр установлен с возможностью ограниченного осевого перемещени  и снабжен по меньшей мере двум  дополнительными выхлопными окнами, размещенными между впускными отверсти ми и торцовыми стенками , и золотниковыми запорными органами, св занными 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, отличающийс  тем, . что поршнева  группа снабжена полыми торцовыми направл ющими штоками, а выпускные окна выполнены в виде радиальных каналов на боковой поверхности штоков.

16

Z3

Фиг.1

лгча

, Выпуск газов ды- сотго давлени 

гс РК

S порош.