Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания перепускными клапанами в цилиндрах свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов

Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания перепускными клапанами в цилиндрах свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области энергомашиностроения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Ближайший прототип заявленного изобретения патент 2479733 «Способ увеличения эффективности процесса расширения продуктов сгорания перепуском воздуха между компрессорными полостями расширительных машин в свободнопоршневом двухцилиндровом энергомодуле с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором».

Реферат патента 2479733. Изобретение относится к области энергомашиностроения. В способе увеличения эффективности процесса расширения продуктов сгорания перепуском воздуха между компрессорными полостями расширительных машин в свободнопоршневом двухцилиндровом энергомодуле с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором, включающим общую внешнюю камеру сгорания, две поршневые расширительные машины, линейный электрогенератор и систему управления, согласно изобретению система управления энергомодуля отслеживает текущие значения скорости и ускорения поршневой группы, давления продуктов сгорания в камере сгорания и рабочей полости, давление сжимаемого в компрессорной полости воздуха каждой расширительной машины энергомодуля, в соответствии с этими значениями определяет момент времени открытия перепускного клапана, обеспечивающего максимальное расширение продуктов сгорания в рабочей полости к моменту времени прибытия поршневой группы в противоположную крайнюю точку движения, и подает команду на открытие перепускного клапана, в результате чего сжатый в компрессорной полости воздух перетекает в другую компрессорную полость этой же расширительной машины. Изобретение обеспечивает повышение эффективности процесса расширения продуктов сгорания.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель изобретения состоит в оптимизации процесса расширения продуктов сгорания газораспределительными клапанами в цилиндрах свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания газораспределительными клапанами в цилиндрах свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов, поясняется на примере принципа его действия.

Система управления компрессором подает во внешнюю камеру сгорания 1 (система управления не показана) топливо форсункой 2 (см. чертеж) и воспламеняет свечой зажигания 3. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 по трубопроводу 4 через впускной клапан 5 поступают в правую (по фигуре) полость поршня 6 и через впускной клапан 7 в левую полость поршня 8, и под действием поступающих продуктов сгорания поршни начинают расходиться. Так как площадь правой поверхности поршня 6 больше площади его левой поверхности на разность площадей поперечного сечения штоков 9 и 10, то давление сжимаемого в левой полости поршня 6 воздуха больше, чем давление продуктов сгорания в его правой полости. Поэтому воздух из левой полости поршня 6 через обратный клапан 11 по трубопроводу 12 подается во внешнюю камеру сгорания 1. Туда же форсункой 2 впрыскивается очередная доза топлива. Одновременно через обратный клапан 13 из атмосферы засасывается воздух в правую полость поршня 14, а из его левой полости через выпускной клапан 15 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) выбрасывается в атмосферу. Аналогично по тем же причинам при движении поршня 8 сжимаемый в его правой полости воздух через обратный клапан 16 по трубопроводу 12 подается во внешнюю камеру сгорания 1. Через обратный клапан 17 из атмосферы засасывается воздух в левую полость поршня 18, а из его правой полости через выпускной клапан 19 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) выбрасывается в атмосферу. После достижения поршнями точек крайнего расхождения система управления переводит впускные клапаны 5, 7, 20 21 и выпускные клапаны 15, 19, 22, 23 в противоположные положения. Теперь продукты сгорания из внешней камеры сгорания 1 по трубопроводу 4 через впускной клапан 20 поступают в левую торцевую полость поршня 14 и через впускной клапан 21 в правую торцевую полость поршня 18, и поршни начинают сходиться. Через обратные клапаны 24 и 25 сжимаемый в правой полости поршня 14 и в левой полости поршня 18 воздух по трубопроводу 12 поступает во внешнюю камеру сгорания 1. Туда же форсункой 2 впрыскивается очередная доза топлива. Через обратные клапаны 26 и 27 из атмосферы засасывается воздух в левую полость поршня 6 и правую полость поршня 8. Из правой полости поршня 6 через выпускной клапан 22 и из левой полости поршня 8 через выпускной клапан 23 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) выбрасывается в атмосферу. Одновременно при расхождении поршней 6, 7, 14, 18 в полостях соединенных с ними поршней 28, 34 происходит сжатие различных газов - основная функция компрессора. Сжимаемый в левой полости поршня 28 газ через выпускной клапан 29 по трубопроводу 30 поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 33 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его правую полость. Соответственно сжимаемый в правой полости поршня 34 газ через выпускной клапан 35 также по трубопроводу 30 поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 36 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его левую полость. По достижению поршнями крайних точек расхождения система управления переводит выпускные клапаны 29, 35, 37, 38 в противоположные положения. Теперь сжимаемый в правой полости поршня 28 газ через выпускной клапан 37 по трубопроводу 30 поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 39 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его левую полость. Сжимаемый в левой полости поршня 34 газ через выпускной клапан 38 по трубопроводу 30 также поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 40 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его правую полость. Сжатый таким образом в компрессоре газ из ресивера 32 по трубопроводу 41 подается потребителю.

Поскольку поршни энергомодуля и компрессора движутся оппозитно, достаточно показать процесс оптимизации расширения продуктов сгорания в одном, например, в его левом цилиндре.

Итак, если при движении поршней справа налево рабочий цикл будет протекать по данному сценарию, преобразование энергии расширяющихся продуктов сгорания в кинетическую энергию поршней будет малоэффективно в силу того, что давление продуктов сгорания в правой полости поршня 6 на всем пути движения практически равно таковому во внешней камере сгорания 1. Расширение продуктов сгорания при этом в основном происходит только при выбросе их из цилиндра в конце пути поршней через выпускной клапан 22, не производя никакой полезной работы. Поэтому для повышения эффективности преобразования энергии необходимо организовать расширение продуктов сгорания непосредственно в цилиндре, в данном случае в правой полости поршня 6. Для этого при движении поршней 6 и 14 слева направо в результате поступления продуктов сгорания из внешней камеры сгорания 1 через впускной клапан 20 система управления отслеживает текущие величины давления продуктов сгорания в камере сгорания 1 и давления сжимаемого воздуха в правой компрессорной полости поршня 14. В соответствии с этими величинами система вырабатывает алгоритм определения момента времени открытия и закрытия перепускного клапана 42, обеспечивающий максимальное расширение продуктов сгорания в левой рабочей полости поршня 14 к моменту прибытия поршней в противоположную крайнюю точку движения, и в соответствии с алгоритмом подает команду на открытие перепускного клапана 42. В результате сжатый в правой компрессорной полости поршня 14 воздух перетекает в левую компрессорную полость поршня 6. Противодействие воздуха в правой компрессорной полости поршня 14 движению поршней резко уменьшается, способствуя процессу расширения продуктов сгорания в левой рабочей полости поршня 6. К этому моменту в левую компрессорную полость поршня 6 уже поступило некоторое количество воздуха из атмосферы через обратный клапан 26. Поступающий туда же через перепускной клапан 42 до определенной степени сжатый в правой полости поршня 6 воздух дополнительно заряжает левую компрессорную полость поршня 6 и засасывание воздуха из атмосферы через обратный клапан 26 прекращается. При этом энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха на данной фазе такта, также вместе с воздухом перебрасывается туда же и сообщает дополнительный импульс кинетической энергии поршням. Энергия на преодоление динамического сопротивления в обратном клапане 26 переносится на перепускной клапан 42. Процесс оптимизации расширения продуктов сгорания в правом цилиндре протекает аналогичным образом с помощью перепускного клапана 43.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания клапанами перепуска воздуха из компрессорной полости одного поршня в компрессорную полость другого поршня в цилиндрах свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов, включающего систему управления, внешнюю камеру сгорания, два поршня с компрессорными полостями и клапан перепуска выхлопных газов в каждом цилиндре, отличающийся тем, что система управления отслеживает текущие величины давления поступающих в рабочую полость поршня энергомодуля продуктов сгорания из внешней камеры сгорания и давления сжимаемого воздуха в компрессорной полости того же поршня и на основании этих величин вырабатывает алгоритм моментов времени открытия и закрытия клапана перепуска выхлопных газов из компрессорной полости одного поршня в компрессорную полость другого поршня, обеспечивающий поступление оптимальной массы выхлопных газов во внешнюю камеру сгорания, затем система управления открывает клапан перепуска выхлопных газов из компрессорной полости поршня одного поршня в компрессорную полость другого поршня, в результате чего поступающие через клапан перепуска выхлопных газов из компрессорной полости одного поршня в компрессорную полость другого поршня выхлопные газы смешиваются там со сжимаемым воздухом, и смесь воздуха с выхлопными газами поступает во внешнюю камеру сгорания.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Затраты на НИОКР и производство заявленного изобретения не могут значительно отличаться от таковых при проектировании и отработке классических компрессоров.

ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Фигура. Принципиальная схема свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов.

1 - внешняя камера сгорания; 2 - форсунка; 3 - свеча зажигания; 4, 12, 30, 41 - трубопровод; 5, 7, 20, 21 - впускной клапан; 6, 8, 14, 18, 28, 34 - поршень; 9, 10 - шток; 11, 13, 16, 17, 24, 25, 26, 27, 33, 36, 39, 40 - обратный клапан; 15, 19, 22, 23, 29, 35, 37, 38 - выпускной клапан; 31 - радиатор; 32 - ресивер; 42, 43 - перепускной клапан.

Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания клапанами перепуска воздуха из компрессорной полости одного поршня в компрессорную полость другого поршня в цилиндрах свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов, включающего систему управления, внешнюю камеру сгорания, два поршня с компрессорными полостями и клапан перепуска выхлопных газов в каждом цилиндре, отличающийся тем, что система управления свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов, отслеживает текущие величины давления поступающих в рабочую полость поршня энергомодуля продуктов сгорания из внешней камеры сгорания и давления сжимаемого в компрессорной полости того же поршня воздуха, и на основании этих величин определяет момент времени открытия клапана перепуска выхлопных газов из компрессорной полости одного поршня в компрессорную полость другого поршня, система управления открывает клапан перепуска выхлопных газов из компрессорной полости поршня одного поршня в компрессорную полость другого поршня, в результате чего поступающие через клапан перепуска выхлопных газов из компрессорной полости одного поршня в компрессорную полость другого поршня выхлопные газы смешиваются в компрессорной полости со сжимаемым воздухом и смесь воздуха с выхлопными газами поступает во внешнюю камеру сгорания.