ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использовано на электрических станциях, промышленных предприятиях и в отопительных котельных. В частности, полезная модель касается конструкции энергетической установки по получению электрической энергии. Такая установка может рассматриваться в качестве автономного энергетического модуля, который можно устанавливать на отдельной площадке в местах, к которым затруднен централизованный подвод энергоносителя.
В настоящее время автономные источники энергии чаще всего строятся на использовании ДВС с присоединенным к нему генератором электрического тока, но такие установки не являются экономичными, так как ДВС в постоянном режиме работы расходует чрезвычайно большое количество светлых нефтепродуктов.
Известно устройство силовой установки, содержащей двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с валом потребителя мощности через соединительную муфту и утилизационную паротурбинную установку с контуром циркуляции рабочего тела, включающим паровую турбину, конденсатор, питательный насос, парогенератор, размещенный в магистрали выпуска высокотемпературных отработанных газов ДВС (SU №1677360).
Известно устройство когенерационной установки, предназначенной для одновременного получения электроэнергии и тепла, включающей в себя двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива, контур охлаждения двигателя, отопительный контур (система теплоснабжения с потребителями тепла), систему теплообменников, обеспечивающую передачу тепла охлаждающей жидкости двигателя и высокотемпературных отработанных газов в отопительный контур, и щит управления ("Строительное обозрение" //Журнал качества//, СПб., №5 (32), май-июнь 1999, стр.16-17). Данное решение приято в качестве прототипа.
Недостатком данных установок является то, что они расходуют много топлива за счет постоянной работы двигателя внутреннего сгорания в течение
длительного времени. Как правило, такие установки строятся на соединении между собой двух отдельных агрегатов: самого двигателя внутреннего сгорания и присоединяемого к нему генератора электрического тока. Для обеспечения условий работы самого генератора двигатель выводится на режим, при котором его обороты соответствуют требуемым оборотам генератора. Ротор генератора представляет собой значительную массу, обладающую инерционностью, достаточной для поддержания оборотов на требуемом уровне некоторое время. И такая масса может рассматриваться по отношению к двигателю как маховик с большим запасом энергии. Однако, данная особенность не учитывается при создании комбинированных энергетических установок.
Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по использованию газовых потоков заданного давления в качестве рабочего агента для поршневого двигателя, образованного на базе двигателя внутреннего сгорания.
Достигаемый при этом результат заключается в сокращении потребления топлива, так же повышении экологичности. Так же технический результат заключается в повышении экономичности приводной установки за счет использования энергии газов под давлением и приготовления рабочего тела в отдельной камере путем сжигания топливной смеси.
Указанный технический результат достигается тем, что в энергетической установке, включающей в себя по крайней мере четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания четырехтактного цикла с электрогенератором на одном валу с газораспределительным механизмом, включающим в себя впускные и выпускные клапана, сообщенные соответственно с каналом подачи рабочего агента в камеры цилиндров и каналом выпуска отработавших продуктов из камер цилиндров, а так же рабочий агент, ротор генератора является маховиком двигателя внутреннего сгорания, в качестве рабочего агента использован газ под давлением, помещенный в отдельную емкость, или подаваемый от автономной системы образования газа под давлением, а в газораспределительном механизме для каждого цилиндра в тактах впуска и
сжатия камера цилиндра этого поршня сообщена с атмосферой, в такте рабочего хода впускной клапан выполнен с возможностью впуска газа под давлением в момент нахождения поршня в камере в верхней мертвой точке и при его движении в направлении к нижней мертвой точке, а выпускной клапан в камере этого цилиндра выполнен с возможностью выпуска газа из камеры при обратном ходе поршня в такте выпуска.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - схема энергетической установки.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция энергетической установки, состоящей из двигателя внутреннего сгорания 1, коленчатый вал 2 которого связан непосредственно с ротором 3 электрогенератора 4, который является маховиком этого двигателя.
Двигатель внутреннего сгорания выполнен как минимум четырехцилиндровым и четырехтактным с газораспределительным механизмом для поочередного сообщения камер цилиндров двигателя с линией 5 подачи рабочего агента и линией 6 отвода отработавших продуктов.
Такие двигатели могут рассматриваться в качестве приводного агрегата для модульной энергетической установки, относящейся к категории повышенной экономичности при получении и преобразовании электрической, тепловой и других видов энергии в энергетических установках путем низкозатратного получения высокопотенциальной тепловой энергии за счет использования в качестве рабочего агента газа (горячего или холодного) под давлением, помещенного в отдельную емкость, или подаваемого от автономной системы образования газа.
Настоящая полезная модель рассматривается на примере использования в качестве емкости с газом под давлением ресивера 7, который сообщен через управляемый клапан 8 и/или блок регулируемой подачи газа под давлением с устройством преобразования энергии газов под давлением в механическую энергию вращения вала, которое представляет собой, как минимум четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания четырехтактного цикла.
Особенностью такого двигателя является то, что конструкция коленчатого вала и кривошипно-шатунной группы с поршнями в цилиндрах не претерпевает изменений и остается такой же, как в двигателе внутреннего сгорания, работающего от воспламенения.
Газораспределительный механизм изменен в части смены кулачковых валов управления коромыслами, создающими давления на клапана, или замены этих валов на, например, соленоиды 9, работа которых может быть приведена в соответствие с алгоритмом закрытия/открытия клапанов в зависимости от углового положения коленчатого вала.
В газораспределительном механизме для каждого цилиндра в тактах впуска и сжатия камера цилиндра этого поршня сообщена с атмосферой, в такте рабочего хода впускной клапан 10 выполнен с возможностью впуска газа под давлением в момент нахождения поршня в камере в верхней мертвой точке и при его движении в направлении к нижней мертвой точке, а выпускной клапан 11 в камере этого цилиндра выполнен с возможностью выпуска газа из камеры при обратном ходе поршня в такте выпуска.
Сообщение камеры каждого цилиндра с атмосферой может быть осуществлена либо за счет того, что впускной или выпускной клапан сообщается с атмосферой, либо за счет введения дополнительного клапана 12 (может быть выполнен с соленоидом 9 его перемещения), установленного в гнезде свечи и открывающегося при закрытых впускном и выпускном клапанах.
Рабочий цикл предлагаемого четырехтактного двигателя происходит следующим образом.
Первый такт - рабочий ход. Поршень 13 находится в верхней мертвой точке, открывается впускной клапан 10 (выпускной клапан 11 закрыт) и газ под давлением поступает в камеру цилиндра этого поршня. Давление газа передается на поршень, который перемещается вниз в направлении к нижней мертвой точке. Сила давления газа от поршня передается через поршневой палец и шатун на коленчатый вал 2, создавая на нем определенный крутящий момент. Цикл длится первые пол оборота коленчатого вала.
Второй такт - выпуск. После совершения полезной работы поршень движется вверх при закрытом впускном клапане и отрытом выпускном клапане и выталкивает отработавшие газы наружу через открытый выпускной клапан. Цикл длится вторые пол оборота коленчатого вала.
Третий такт - холостой ход. В этом такте впускной и выпускной клапаны закрыты, но открыт дополнительный клапан 12, установленный, например, в гнезде свечи, сообщая камеру цилиндра с атмосферой. Поршень движется вниз. Цикл длится четвертые пол оборота коленчатого вала.
Четвертый такт - холостой ход. В этом такте впускной и выпускной клапаны так же закрыты, но открыт дополнительный клапан, установленный в гнезде свечи, сообщая камеру цилиндра с атмосферой. Поршень движется вверх. Цикл длится четвертые пол оборота коленчатого вала.
Далее циклы повторяются.
Газ под давлением из ресивера подается посредством газораспределительного механизма в двигатель, открывается впускной клапан первого цилиндра, газ под давлением поступает в полость цилиндра, и поршень перемещается вниз (режим рабочего хода). Перемещение поршня вниз приводит к преобразованию его поступательного движения во вращение коленчатого вала двигателя (посредством кривошипно-шатунного механизма). В момент перемещения поршня вниз в первом цилиндре, во втором цилиндре поршень перемещается вверх (выпускной клапан этого цилиндра открыт) и вытесняет газ из камеры. В момент открытия выпускного клапана первого цилиндра второй цилиндр переходит в режим холостого хода, а газ подается в камеру четвертого цилиндра (третий цилиндр в режиме холостого хода).
Отработанный газ из полостей цилиндров поступает в отводную магистраль двигателя и утилизируются. Частота вращения коленчатого вала определяется конструкцией электрического генератора и характеристиками электрической сети. Регулирование количества газа через управляющий клапан 2 определяет заданный крутящий момент на валу поршневого двигателя и соответствующую мощность, развиваемую генератором. В случае использования в качестве нагрузки для двигателя генератора электрического тока, то возможно автоматизировать процесс управления подаче газа в двигатель в обратной зависимости от частоты вращения генератора.
Размеры пропускных каналов подачи газа в камеры и выпуска газа из камер на утилизацию подбираются таким образом, чтобы при обратном ходе поршня находящийся в камере цилиндра газ под давлением был бы выведен с минимально возможным остатком или без остатка за счет использования эжекторного принципа откачки газов.
Таким образом, двигатель внутреннего сгорания совершает импульсное вращение с сохранением четырехтактного цикла, но с наличием холостого хода в один оборот коленчатого вала 2. В результате такого режима работы на выходе двигателя формируются вращательное движение, которое на период раскрутки ротора генератора имеет нестабильность, но при выходе ротора на заданный режим работы инерционность последнего обеспечивает сглаживание вращения коленчатого вала в мертвых точках и компенсирует прохождение холостых ходов поршней. В дальнейшем, после разворота ротора, его вращение поддерживается импульсами моментов вращения двигателя, достаточными для поддержания требуемых для генератора оборотов.
При этом существенно уменьшается расход газа как топлива и тепловая нагрузка самого двигателя (упрощается решение задачи охлаждения двигателя). В предлагаемом двигателе система газораспределения требует изменения и может представлять собой оказывающие давление на клапана отдельные коромысла с автономным для каждого коромысла управлением от соленоидов или клапана могут быть выполнены с электромагнитным
управлением. Алгоритм работы соленоидов 9 определяется четырехтактным циклом.
Для компенсации неуравновешенности (корпус двигателя может болтаться) двигатель внутреннего сгорания может устанавливаться на гасителях 14, амортизаторах или оснащен иными средствами, позволяющими воспринимать колебания двигателя по типу пневматической подвески автомобиля.
Настоящая полезная модель промышленно применима и может использоваться в качестве энергетических блоков выработки электрической энергии.