ДВИГАТЕЛЬ-КОМПРЕССОР И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
MOTOR-COMPRESSOR AND ITS OPERATING METHOD

Изобретение относится к области разработки, создания и эксплуатации компрессоров для целей сжатия и (или) перекачки газообразных сред.
Известные способы работы компрессора включают первичное преобразование одного из видов энергии, например тепловой, в энергию вращательного движения выходного вала в одном функциональном блоке-приводе, передачу этой энергии на вал другого функционального блока-компрессора, в котором преобразуют механическую энергию вращения в потенциальную энергию газа для наполнения цилиндра компрессора газом из магистрали низкого давления (МНД), повышения его потенциальной энергии и подачи в магистраль высокого давления (МВД). Указанный способ работы реализуется как в лопаточных, так и в поршневых компрессорах.
Отмеченные общие признаки способа работы непосредственно для поршневого компрессора реализуют путем организации циклического чередования в рабочем объеме цилиндра тактов расширения и сжатия за счет возвратно-поступательного движения поршня и соответствующего этим тактам подключения/отключения рабочего объема цилиндра к МНД и МВД, при этом наполнение цилиндра газом осуществляют на такте расширения, а повышение давления и подачу газа в МВД осуществляют на такте сжатия.
В состав такого компрессора входят привод, обеспечивающий передачу крутящего момента на коленчатый вал компрессора, корпус компрессора, поршень, связанный посредством шатуна с коленчатым валом, окна для наполнения цилиндра газом из МНД и подачи сжатого газа в МВД и клапана для управления наполнением и подачей газа (DE 10149394 A, 24.04.2003).
В качестве привода компрессора может применяться поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Такой двигатель состоит из тех же элементов, из которых состоит компрессор, и дополнительно включает систему подачи и воспламенения топлива и систему удаления отработавших газов (ОГ). Способ работы такого двигателя включает всасывание воздуха, подготовку топливовоздушной смеси, сгорание, преобразование потенциальной энергии продуктов сгорания в механическую работу вращения коленчатого вала двигателя, выпуск ОГ и наполнение цилиндра свежей порцией воздушного заряда (Фомин Ю.А. и др. Судовые двигатели внутреннего сгорания. - Л.: Судостроение, 1989).
Известен также двигатель-компрессор, включающий несколько цилиндров с общим коленчатым валом, часть из них функционально используются как привод, а остальные - функционально как компрессоры (UA 71236 A, 15.11.04).
Известен способ работы двигатель-компрессора, включающий преобразование тепловой энергии в потенциальную энергию газа для наполнения рабочего объема цилиндра из магистрали низкого давления, повышение его потенциальной энергии и подачи в магистраль высокого давления путем чередования тактов расширения и сжатия за счет возвратно-поступательного движения основного поршня, связанного с валом двигателя, и соответствующие этим тактам подключения/отключения рабочего объема цилиндра к магистралям низкого и высокого давлений, при этом сжатие газа производят в камере нагнетания за счет перемещения автономного поршня под действием давления продуктов сгорания в камере сгорания, изолированной от камеры нагнетания автономным поршнем, не связанным с валом двигателя, причем двигательный режим обеспечивают путем передачи давления газа камеры нагнетания на основной поршень на такте расширения, а также двигатель-компрессор, включающий цилиндрический корпус с магистралями сжимаемого газа низкого и высокого давлений, основной поршень, связанный посредством шатуна с коленчатым валом и совершающий возвратно-поступательное движение внутри цилиндра корпуса, автономный поршень, не связанный с валом двигателя, перемещающийся вдоль оси цилиндра под действием разности давлений между камерами нагнетания и сгорания, на которые он разделяет рабочий объем цилиндра, окна наполнения камеры нагнетания, расположенные в районе нижней мертвой точки, форсунку подачи топлива и клапана выпуска отработавших газов, расположенные на крышке цилиндра, окна подачи сжатого газа в магистраль высокого давления и клапана для управления наполнением и подачей газа, установленные на магистралях низкого и высокого давлений соответственно (RU 2146007 C1, 27.02.2000). В известном решении отсутствует возможность использовать особенности способа работы и устройства двигателя для сжатия и перекачки газообразных сред. Задачей, поставленной в настоящем изобретении, является использование рабочего процесса и устройства двигателя для сжатия и перекачки газообразных сред и улучшение на этой основе массогабаритных характеристик компрессоров.
Указанная задача и технический результат в способе работы, включающем преобразование тепловой энергии в потенциальную энергию газа для наполнения рабочего объема цилиндра из магистрали низкого давления, повышение его потенциальной энергии и подачу в магистраль высокого давления путем чередования тактов расширения и сжатия за счет возвратно-поступательного движения основного поршня, связанного с валом двигателя, и соответствующие этим тактам подключения/отключения рабочего объема цилиндра к магистралям низкого и высокого давлений, при этом сжатие газа производят в камере нагнетания за счет перемещения автономного поршня под действием давления продуктов сгорания в камере сгорания, изолированной от камеры нагнетания автономным поршнем, не связанным с валом двигателя, причем двигательный режим обеспечивают путем передачи давления газа камеры нагнетания на основной поршень на такте расширения, преобразование энергии проводят в одном рабочем объеме, для чего в камеру нагнетания подают предназначенный для сжатия газ из магистрали низкого давления, а в камеру сгорания подают воздух и топливо, причем потенциальную энергию газа камеры нагнетания, получаемую за счет перемещения автономного поршня на такте расширения, используют для подачи сжатого газа в магистраль высокого давления и для обеспечения двигательного режима.
Кроме того, в способе процессом сгорания перекрывают процесс подачи сжатого газа и для двигателя-компрессора с количеством цилиндров более одного обеспечивают параллельное и (или) последовательное соединения камер нагнетания разных цилиндров.
Указанная задача и технический результат в двигателе-компрессоре, включающем цилиндрический корпус с магистралями сжимаемого газа низкого и высокого давлений, основной поршень, связанный посредством шатуна с коленчатым валом и совершающий возвратно-поступательное движение внутри цилиндра корпуса, автономный поршень, не связанный с валом двигателя перемещающийся вдоль оси цилиндра под действием разности давлений между камерами нагнетания и сгорания, на которые он разделяет рабочий объем цилиндра, окна наполнения камеры нагнетания, расположенные в районе нижней мертвой точки, форсунку подачи топлива и клапана выпуска отработавших газов, расположенные на крышке цилиндра, окна подачи сжатого газа в магистраль высокого давления и клапана для управления наполнением и подачей газа, установленные на магистралях низкого и высокого давлений соответственно, достигаются тем, что окна наполнения камеры нагнетания сообщаются с магистралью сжимаемого газа низкого давления, в крышке цилиндра установлено устройство подачи воздуха в камеру сгорания, окна подачи сжатого газа в магистраль высокого давления имеют площадь и расположены по высоте так, что за время сообщения камеры нагнетания с магистралью высокого давления обеспечивают подачу заданного количества сжатого газа.
Кроме того, для двигателя-компрессора с количеством цилиндров более одного клапана для управления наполнением и подачей газа обеспечивают параллельное и (или) последовательное соединения камер нагнетания разных цилиндров с магистралями низкого и высокого давлений.
На фиг.1 представлена конструктивная схема предлагаемого устройства. Здесь приняты следующие обозначения: 1 - корпус компрессора; 2 - окна впуска в камеру нагнетания газа из МНД; 3 - основной поршень; 4 - автономный поршень; 5 - клапан подачи воздуха в камеру сгорания; 6 - крышка цилиндра компрессора; 7 - форсунка; 8 - клапана выпуска ОГ; 9 - переключающий клапан подачи газа из камеры нагнетания в МВД или камеру нагнетания другого цилиндра; 10 - окна подачи газа из камеры нагнетания; 11 - переключающий клапан наполнения камеры нагнетания газом из МНД или камеры нагнетания другого цилиндра.
На левой части чертежа сплошными линиями представлены положения поршней в момент, когда завершается процесс сжатия, основной поршень 3 находится в ВМТ. На правой части рисунка сплошными линиями представлены положения поршней в момент выпуска ОГ из камеры сгорания (клапан выпуска ОГ 7 открыт) после завершения подачи газа в МВД. В нижней части чертежа пунктирными линиями представлены положения основного поршня 3 в процессе наполнения газом камеры нагнетания (правая половина) и в начале процесса сжатия (левая половина).
Для упрощения чертежа на нем не показаны такие конструктивные элементы, как шатун, коленчатый вал и не детализирована конструкция форсунки.
0
На фиг.2 в нижней части представлена диаграмма перемещения основного (толстая линия) и дополнительного (тонкая линия) поршней и совмещенная с ней по углу поворота коленчатого вала (ПКВ) индикаторная диаграмма цикла. Точки, отмеченные буквами а, с, z, b и r, как принято в теории ДВС, обозначают реперные точки цикла ДВС. НМТ и ВМТ обозначают положения нижней и верхней мертвых точек. Н и h обозначают положения (ординаты) основного и дополнительного поршней соответственно. Весь цикл условно разбит на основные процессы, которые отмечены римскими цифрами, размещенными между этими диаграммами.
Основной поршень 3 посредством шатуна связан с коленчатым валом компрессора, а автономный поршень 4 никаких связей не имеет и перемещается вдоль оси цилиндра под действием разности давлений между камерами, на который он делит рабочий объем цилиндра. В процессе работы пространство между основным 3 и автономным 4 поршнями представляет камеру нагнетания, а пространство между автономным поршнем 4 и крышкой цилиндра 6 компрессора - камеру сгорания.
Устройство работает следующим образом.
1
а
a
Процесс сжатия - I (фиг.2) начинается с угла ГТКВ φ. В начале такта сжатия основной поршень 3 перекрывает впускные окна 2 (положение основного поршня на левой половине фиг.1 показано пунктирной линией) и находится на ординате Н, а автономный поршень 4 находится на ординате h. Клапана подачи газа в камеру нагнетания из МНД 11 и МВД 10 закрыты. Камера нагнетания заполнена газом из МНД, а камера сгорания - воздухом и остаточными, после предыдущего цикла, продуктами сгорания.
В процессе сжатия I перемещение основного поршня в сторону ВМТ вызывает сжатие газа камеры нагнетания и соответствующее перемещение автономного поршня 4, который, в свою очередь, сжимает газ камеры сгорания. Таким образом, происходит одновременное сжатие газов в обеих камерах. Процесс сжатия осуществляют на такте сжатия при подводе энергии к основному поршню со стороны коленчатого вала двигателя-компрессора.
2
Процесс сгорания - II начинается при подходе основного поршня 3 к ВМТ, когда форсункой 6 в камеру сгорания подается топливо (угол φ на фиг.2, а положение поршней - левая половина фиг.1). В процессе сгорания давление в камере сгорания резко возрастает, что заставляет автономный поршень 4 перемещаться вниз, причем быстрее, чем перемещается основной поршень 3, у которого скорость перемещения ограничивается кинематикой вращательного движения коленчатого вала. Поэтому перемещение автономного поршня на такте расширения вызывает вторичное сжатие газа камеры нагнетания (первичное - на такте сжатия). Процесс II начинается в завершающей фазе такта сжатия и заканчивается при выгорании топлива на такте расширения.
В процессе сгорания и расширения продуктов сгорания происходит преобразование тепловой энергии в потенциальную энергию сжимаемого газа камеры нагнетания. Преобразование происходит за счет перемещения автономного поршня под действием давления со стороны горячих газов камеры сгорания. При этом потенциальная энергия газа камеры нагнетания расходуется на подачу необходимого количества компримированного газа в МВД и на обеспечение энергией рабочего процесса, т.е. двигательного режима.
3
пдч
мвд
Процесс подачи сжатого газа из камеры нагнетания в МВД - процесс III - начинается при значении угла ПКВ φ. При этом автономный поршень 4 должен находиться выше верхней кромки окон 10 подачи газа в МВД (на фиг.2 - Н'), а основной поршень 3 ниже. Таким образом пространство камеры нагнетания в этот момент, посредством окон 10, имеет возможность сообщаться с МВД. Подача сжатого газа из камеры нагнетания в МВД осуществляется при открытом клапане 9. В процессе подачи газа в МВД необходимо поддерживать давление в камере нагнетания выше давления МВД - р. Для этого площадь окон 10 и их расположение в корпусе цилиндра выбираются так, чтобы за время перемещения поршней на такте расширения окна 10 находились в пространстве камеры нагнетания в течение времени, за которое обеспечивается подача из камеры нагнетания заданного количества газа.
Увеличение времени расположения окон 10 в пространстве камеры нагнетания можно обеспечить за счет «затягивания» процесса сгорания, т.е. за счет полного или частичного перекрытия процессом сгорания процесса подачи газа из камеры нагнетания в МВД. Такая возможность реализуется путем переноса начала процесса подачи газа на момент, когда процесс выгорания топлива еще не завершен. На представленном на фиг.2 примере процесс III начинают позже процесса II, а завершают их одновременно, чем и обеспечивается полное перекрытие этих процессов.
пдч
3
пдч
4
мвд
Время процесса подачи газа в МВД регулируют клапаном 9 в диапазоне поворота коленчатого вала на такте расширения, начиная от положения основного поршня на ординате Н' (угол φ) до положения автономного поршня на ординате Н'' (угол φ), когда автономный поршень 4 перекрывает окна 10 в зависимости от разности давлений в камере нагнетания и в МВД (p>р).
5
4
5
После завершения процесса подачи можно сразу приступить к процессу выпуска ОГ (угол φ) - IV, для чего достаточно открыть клапан 8. Иногда между процессами подачи III и выпуска ОГ IV имеет место процесс промежуточного расширения. На диаграмме фиг.2 представлен именно такой процесс промежуточного расширения между φ и φ без обозначения римской цифрой.
Таким образом, на такте расширения потенциальную энергию газа камеры нагнетания используют для подачи газа в МВД только в процессе III, а для обеспечения двигательного режима потенциальная энергия газа камеры нагнетания используется во всех остальных за исключением V и VI процессов.
5
6
7
Процессы: выпуск ОГ - IV (начало - φ), создания разрежения - V (начало - φ) и наполнения камеры нагнетания свежей порцией газа из МНД - VI (начало - φ); осуществляются по аналогии с такими же процессами известных способов работы ДВС, поэтому здесь подробно не описываются.
Процесс VI заявленного способа работы двигателя-компрессора имеет особенность, связанную с тем, что вместе с наполнение камеры нагнетания проводят подачу циклового воздушного заряда в камеру сгорания для обеспечения процесса сгорания.
Кроме того, в способе и устройстве для двигателя-компрессора, включающего два и более цилиндров, соединение камер нагнетания может быть параллельным на общие коллекторы МНД и МВД с целью повышения объемной производительности или последовательным для повышения давления в МВД. Если клапан сообщения окон камеры нагнетания переключен на МНД, в камеру нагнетания поступает газ низкого давления. Если клапан сообщения окон камеры нагнетания переключен на камеру нагнетания другого цилиндра, то в камеру нагнетания поступает газ повышенного давления.
В устройстве для реализации указанной возможности окна камеры нагнетания 2 и 10 при помощи переключающих клапанов 9 и 11 подключаются к МНД и к МВД параллельно или последовательно.
В данной заявке представлен пример способа работы двигателя-компрессора по двухтактному циклу. Однако предлагаемый способ может быть реализован и по четырехтактному циклу. В этом случае можно обеспечить увеличенное наполнение камеры нагнетания, т.е. повысить производительность компрессора.