ПОРШНЕВОЙ ДЕТАНДЕР И ПОРШЕНЬ ДЛЯ НЕГО
RECIPROCATING EXPANDER AND PISTON FOR IT

Изобретение касается поршня поршневого детандера, а также поршневого детандера для использования в паровом контуре, связанного с двигателем внутреннего сгорания контура регенерации тепла, в котором преимущественно применяется такого рода поршень. Поршень имеет головку поршня, шейку поршня, а также юбку поршня, причем головка поршня имеет, по меньшей мере, одну канавку, проходящую в окружном направлении, которая пригодна для размещения поршневого кольца, и причем юбка поршня имеет приемный элемент для поршневого пальца, а на своей внешней периферии направляющую поверхность, пригодную для того, чтобы направлять поршень вдоль внутренней стенки цилиндра.
При разработке или дальнейшем развитии двигателей внутреннего сгорания в последние годы главное внимание уделяется работам, с одной стороны, направленным на минимизацию количества вредных веществ и, с другой стороны, - на повышение эффективности агрегатов. В этой связи возможность повысить эффективность современных двигателей внутреннего сгорания состоит в том, чтобы оптимально использовать тепло, получаемое в области двигателя внутреннего сгорания. Благодаря предусмотрению соответствующих мероприятий можно как ограничить конструктивные размеры необходимой охлаждающей установки, так и сделать пригодными для дальнейшего применения в области автомобиля потери тепла, выбрасываемого иначе лишь в окружающую среду.
Чтобы можно было по возможности эффективно использовать потери тепла, возникающие в зоне двигателя внутреннего сгорания, в возрастающей мере из-за этого форсируется разработка так называемых систем регенерации тепла, внутри которых возникающее в двигателе внутреннего сгорания тепло передается теплоносителям и с помощью находящейся в этом вторичном тепловом контуре паровой машине может быть использовано.
В этой связи из DE 3429727 A1 известен комбинированный двигатель внутреннего сгорания и паровой машины с использованием тепловых процессов, в котором минимизация расхода топлива должна достигаться прежде всего тем, что паровая машина включается после двигателя внутреннего сгорания. В названном в этой публикации комбинированным двигателем приводном блоке часть потерь тепла, вырабатываемых в двигателе внутреннего сгорания, переносится в охлаждающую воду, которая таким способом доводится до кипения. Пар, возникающий вследствие кипения охлаждающей воды, после этого накапливается под давлением в паровом котле и затем предоставляется в распоряжение паровой машины. Производимый паровой машиной приводной момент передается на коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания.
Далее в EP 1870575 A2 описывается автомобильный двигатель внутреннего сгорания с наддувом, который имеет охлаждающий контур, в котором циркулирует рабочая среда, которая, по меньшей мере частично, переводится в паро- или газообразное агрегатное состояние. В этом случае предусмотрен расширительный узел, который находится в активном соединении с выходным валом двигателя внутреннего сгорания через тяговый трос. В описанном расширительном узле выходной вал расширительного узла приводится в движение в результате преобразования энергии, содержащейся в по меньшей мере частично паро- или газообразной рабочей среде. Описанный расширительный узел выполнен как двухтактный поршневой двигатель, который косвенно или непосредственно через тяговый трос находится в активном соединении с выходным валом двигателя внутреннего сгорания.
Известен поршень поршневого детандера, имеющий головку поршня, шейку поршня, а также юбку поршня, причем головка поршня имеет, по меньшей мере, одну канавку, проходящую в окружном направлении, которая пригодна для приема поршневого кольца, а юбка поршня имеет втулку под болт, которая пригодна для приема поршневого пальца, и на своей внешней периферии направляющую поверхность, которая пригодна для направления поршня вдоль внутренней стенки  цилиндра (WO 2005080836a1, 01.09.2005).
Известен также поршневой детандер с, по меньшей мере, двумя цилиндрами, расширительные камеры которых, по меньшей мере, частично и, по меньшей мере, временно с помощью, по меньшей мере, одного впускного клапана связаны с паровым контуром и в которых соответствующий находящийся в активном соединении с коленчатым валом через шатун поршень выполнен с возможностью перемещения между верхней и нижней мертвыми точками (SU 1364748A1, 07.01.1988).
,
,
.
Исходя из известных из уровня техники технических решений, в частности из известных поршневых детандеровдля использования потерь тепла, возникающих в двигателе внутреннего сгорания, с помощью парового контура, в основе изобретения лежит задача представления поршня, а также поршневого детандерас помощью которых на основе сравнительно простых конструктивных средств реализуется эффективное использование содержащейся в паре энергии и, соответственно, потерь тепла, возникающих в двигателе внутреннего сгорания. С помощью представляемых технических решений должны быть, прежде всего, осуществлены надежный запуск нагружаемого паром поршневого детандера, а также эффективное разделение масляного и парового контуровБлагодаря разделению масляного и парового контуров должно надежно устраняться взаимное загрязнение контуров из-за попадания соответствующей среды.
Вышеназванная задача решается с помощью поршня согласно пункту 1, а также поршневого детандера по пункту 9. Преимущественные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов и подробнее поясняются в описании со ссылкой на чертежи.
,
Согласно изобретению поршень поршневого детандеракоторый имеет головку поршня, шейку поршня, а также юбку поршня, причем головка поршня имеет, по меньшей мере, одну канавку, проходящую в окружном направлении, которая пригодна для размещения поршневого кольца, и причем юбка поршня имеет приемный элемент, который пригоден для приема поршневого пальца, а на своей внешней периферии - направляющую поверхность, предназначенную для направления поршня вдоль внутренней стенки цилиндра, усовершенствован таким образом, что внешний диаметр шейки поршня меньше, чем внешний диаметр головки поршня и/или юбки поршня.
Соответствующий изобретению поршень отличается, в частности, тем, что дополнительно к обычно предусмотренной головке поршня, которая называется также как зона поршневых колец, и юбке поршня предусмотрена шейка поршня между обоими названными выше областями, которая отчетливо отделяет головку поршня от юбки поршня. Разделение юбки поршня и головки поршня осуществляется при этом, с одной стороны, через дистанцирования в продольном направлении благодаря находящейся между ними шейке поршня и, с другой стороны, - благодаря предусмотрению меньшего внешнего диаметра шейки поршня.
В одном специальном варианте осуществления изобретения юбка поршня предусматривает в примыкающей к шейке поршня области канавку, проходящую в окружном направлении поршня, которая пригодна для размещения (приема) уплотнения. Преимущественным образом уплотнение выполняется в виде уплотнения стержня. Такого рода уплотнение стержня предусматривает пустое пространство по существу между двумя расположенными на соответствующих краевых участках канавки уплотнительными элементами, в котором может собираться масло или маслосодержащие остатки из областей цилиндра, направляющих масло. С помощью соответственно выполненного уплотнения стержня, в частности, предпочтительным образом препятствуют тому, что масло или маслосодержащие остатки будет или будут направлены в область шейки поршня и/или в область цилиндра, направляющую пар.
Предпочтительным образом длина шейки поршня, которая имеет относительно головки поршня и юбки поршня уменьшенный внешний диаметр, выполняется так, что длина шейки поршня соответствует, по меньшей мере, приблизительно ходу поршня в собранном состоянии. Благодаря этому конструктивному признаку шейки поршня обеспечивается, в частности, что парообразная текучая среда или пар, выходящие через зону поршневого кольца из расширительной зоны цилиндра, может собираться в области шейки поршня и преимущественно расширяться в соответствующем полом пространстве. Более того, этот вариант осуществления шейки поршня предлагает возможность собирающиеся в собирающем пространстве, то есть полом пространстве между шейкой поршня и внутренней стенкой цилиндра, проникающие из камеры сгорания газы (Blow-by-Gase), т.е. проникающий из камеры сгорания пар, отсасывать через соответствующее отверстие внутри внутренней стенки цилиндра каждый раз во время движения поршня из собирающего пространства. Такого вида отсасываемый пар может быть особенно пригодным способом заново направлен в паровой контур и, тем самым, не будет потерян для всей системы.
Cледующее специальное выполнение изобретения предусматривает, что в юбке поршня предусмотрен, по меньшей мере, один канал утечки, который образует протекаемое текучей средой соединение между окружающей шейку поршня областью и областью внутри юбки поршня. Что касается этого, по меньшей мере, одного канала утечки, то допустимо выполнять его или в качестве отверстия внутри юбки поршня или, альтернативно или дополнительно, в качестве канала, который с одной стороны открыт к внутренней стенке цилиндра и который выполнен в поверхности юбки поршня и связывает полое пространство внутри канавки между обоими уплотнительными элементами уплотнения стержня с областью масла.
С помощью ранее описанного, по меньшей мере, одного канала утечки особенно надежно гарантировано, что масло, которое попало внутрь юбки поршня, в котором предусмотрено уплотнение для герметизации области масла от собирающего пространства шейки поршня, может быть направлено назад в область масла.
Соответствующее изобретению выполнение поршня для поршневого детандера, работающего на пару, обеспечивает тем самым, что, с одной стороны, в области головки поршня с помощью поршневых колец происходит герметизация от заполненной паром расширительной области цилиндра, что далее происходит герметизация в области юбки поршня относительно области масла, благодаря наличию соответствующего уплотнения, преимущественно уплотнения стержня и что, более того, в области шейки поршня, которая находится в продольном направлении поршня между головкой поршня и юбкой поршня, предусмотрено собирающее пространство, которое образует в собранном состоянии поршня полое пространство между внешней стенкой шейки поршня и внутренней стенкой цилиндра. Благодаря ранее названным техническим признакам выполненного соответственно изобретению поршня, с одной стороны, достигается надежное разделение направляющих пар и масло областей внутри цилиндра и, с другой стороны, обеспечивается, что в окружающем шейку поршня собирающем пространстве может собираться проникающий пар, который затем надежно отводится и направляется в паровой контур.
Направление соответствующего изобретению поршня производится со стороны масла, так что смазка гарантирована в любое время. Герметизация масляной стороны производится, как уже описывалось, с помощью соответствующего уплотнения, преимущественно уплотнения стержня. Минимальные утечки, которые собираются в области этого уплотнения, возвращаются через по меньшей мере один канал возврата утечки к нижней стороне юбки поршня или поршня и, тем самым, направляются назад, на масляную сторону. Кроме того, на юбку поршня возложена, в частности, задача воспринимать боковые силы, которые появляются от того, что поршень во время его эксплуатации попеременно надавливает на стенку цилиндра. Это вызывает, в том числе, качание поршня и обусловленные этим шумы. Этому качанию можно противодействовать, преимущественно, через минимизацию зазора между поршнем и цилиндром и, в частности, через увеличение длины юбки поршня. Следующее мероприятие, которое уменьшает качание поршня, состоит в смещении оси поршневого пальца по отношению к оси поршня.
,
Кроме того, изобретение касается поршневого детандеракоторый вводится при использовании потерь тепла от двигателя внутреннего сгорания для повышения коэффициента полезного действия всего приводного узла. Поршневой детандер, выполненный согласно изобретению, имеет при этом, по меньшей мере, два цилиндра, расширительное пространство которых, по меньшей мере частично и по меньшей мере временно с помощью по меньшей мере одного впускного клапана связано с паровым контуром, и в которых, соответственно, находящийся в активном соединении с коленчатым валом через шатун поршень подвижен между верхней и нижней мертвыми точками. Поршневой детандер, выполненный согласно изобретению, отличается тем, что коленчатый вал выполнен так, что как только, по меньшей мере, один цилиндр находится в нижней мертвой точке, по меньшей мере, один другой цилиндр уже расположен после верхней мертвой точки. Благодаря описанной выше геометрии соответствующий цилиндр находится после верхней мертвой точки, когда другой цилиндр находится в нижней мертвой точке. Такого рода конструктивное выполнение предпочтительным способом обеспечивает, что обратное вращение, а значит возвратный ход поршневого детандера будет предотвращен.
В специальном варианте осуществления изобретения поршневой детандер имеет исключительно два цилиндра, центральные оси которых параллельны в собранном положении и расположены со смещением по отношению друг к другу. Такого рода расположение цилиндров и тем самым поршней, движущихся в цилиндрах, реализуется посредством соответствующего выполнения (формы) кривошипного механизма.
Наряду с конструктивными признаками специального поршня поршневой детандер соответствующий изобретению, отличается предпочтительным образом тем, что дополнительно к впускному клапану предусмотрен расположенный параллельно ему байпасный клапан. Такого рода байпасный клапан обеспечивает предпочтительным образом, что гарантирован свободный от регулирования автоматический запуск поршневого детандера в надлежащем направлении.
Один особенно предпочтительный вариант осуществления поршневого детандера, отличается тем, что по меньшей мере один из действующих поршней имеет уже описанные соответствующие изобретению признаки. Таким образом, особое усовершенствование изобретения предусматривает, что у описанного поршневого детандера поршень выполнен так, что между стенкой цилиндра и внешней поверхностью шейки поршня в собранном состоянии предусмотрено полое пространство в качестве собирающего пространства для текучей среды. Такого рода техническое выполнение достигается преимущественным образом благодаря тому, что шейка направляемого внутри цилиндра поршня имеет меньший внешний диаметр, чем головка поршня и юбка поршня. Парообразная текучая среда, которая несмотря на наличие поршневых колец в области головки поршня проникает из направляющих пар областей внутреннего пространства цилиндра, в частности из расширительного пространства, в собирающее пространство, улавливается благодаря наличию соответственно рассчитанного собирающего пространства и достаточно расширяется.
В комбинации с ранее названными мероприятиями, т.е. наличия собирающего пространства в области между шейкой поршня и внутренней стенкой цилиндра, в области внутренней стенки цилиндра предусмотрено отверстие, через которое парообразные текучие среды образуются в собирающем пространстве, преимущественным способом могут быть выведены в область низкого давления парового контура.
В одном особом усовершенствовании поршневого детандера отверстие внутри стенки цилиндра выполняется так, что оно, несмотря на движение поршня между нижней и верхней мертвыми точками, в любой момент времени находится в области собирающего пространства. Длина шейки поршня между головкой поршня и юбкой поршня выбрана в этом случае такой, что длина шейки поршня по меньшей мере соответствует ходу поршня во время эксплуатации соответствующего изобретению поршневого детандера. Так как собирающее пространство связано с областью низкого давления парового контура, то в собирающем пространстве не создается давление и собранный в собирающем пространстве проникающий газ, или парообразная текучая среда, или проникающий пар можно без проблем вновь возвращать в паровой контур.
Изобретение характеризуется таким образом, в частности, тем, что в соответствующем изобретению поршневом детандере применяется поршень, который в области между головкой поршня и юбкой поршня имеет шейку поршня, которая по сравнению с головкой и юбкой поршня имеет меньший внешний диаметр. Это техническое выполнение поршня комбинируется преимущественным образом с уплотнением в области головки поршня с помощью, по меньшей мере, одного поршневого кольца и в области юбки поршня с помощью, по меньшей мере, одного уплотнения стержня. Этим способом производится надежное разделение между собственно рабочей средой, т.е. парообразной текучей средой и маслом, необходимым для смазки поршня и подшипников коленчатого вала и шатуна. Таким образом, не происходит никакого загрязнения сред - масло и пар - или происходит, по меньшей мере, лишь минимальное взаимное загрязнение этих сред.
В случае другого особенного соответствующего изобретению варианта поршневого детандера предусмотрено, что внутренняя стенка цилиндра образована, по меньшей мере, из двух частей, с предпочтительно, по меньшей мере, первым материалом в области головки поршня и одним вторым материалом в области юбки поршня. За счет этого, в зависимости от типа используемых сред, можно получить оптимальный выбор материалов для входящей в контакт с поршнем области стенки цилиндра. Так, например, в паровой области поршня может быть предусмотрена втулка из латуни или алюминиевой бронзы, в то время как в области юбки поршня была бы предпочтительна втулка из серого чугуна, так как она находится в контакте с маслом. Далее различные участки внутренней стенки цилиндр в зависимости от потребности в обработке, допусках, коэффициентах трения, качестве поверхности или геометрии могут идеально подгоняться к любым требованиям.
Далее изобретение подробнее поясняется со ссылками на фигуры, но без ограничения общей идеи изобретения. Здесь показано:
Фиг.1: Разрез поршня, выполненного в соответствии с изобретением;
Фиг.2: Внешний вид поршня, выполненного в соответствии с изобретением;
,
Фиг.3: Схематичное изображение геометрии кривошипного механизма поршневого детандеравыполненного в соответствии с изобретением, с коленчатым валом и двумя цилиндрами.
Фиг.1 показывает выполненный в соответствии с изобретением поршень с головкой 1 поршня, шейкой 2 поршня, а также юбкой 3 поршня. Головка 1 поршня имеет две расположенные в окружном направлении канавки 4, которые выполнены пригодными для размещения (приема) соответствующих поршневых колец 5. В противоположность этому юбка 3 поршня имеет направляющую поверхность 6, с помощью которой поршень во время эксплуатации направляется внутри цилиндра 7. Далее, в верхней области юбки 3 поршня, в непосредственной близости от шейки 2 поршня, предусмотрены две канавки 8, в которых находятся уплотнения, выполненные в виде уплотнений стержня 9.
От головки 1 поршня и юбки 3 поршня шейка 2 поршня отличается прежде всего тем, что она имеет уменьшенный внешний диаметр и что она обеспечивает в продольном направлении поршня пространственное дистанцирование головки 1 поршня от юбки 3 поршня. Как только поршень, выполненный в соответствии с изобретением, будет находиться в собранном состоянии внутри цилиндра 7, между шейкой 2 поршня и внутренней стенкой 10 цилиндра образуется полое пространство, которое предусмотрено в качестве собирающего пространства 11 для парообразной текучей среды, которая проникает, несмотря на наличие соответствующих поршневых колец 5, из нагруженного паром расширительного пространства 12 цилиндра 7 в виде так называемого проникающего из рабочей камеры пара в это собирающее пространство 11.
Направление поршня на масляной стороне внутри цилиндра производится с помощью направляющей поверхности 6, которая образует, по меньшей мере, часть внешней поверхности юбки 3 поршня. Эта направляющая поверхность 6 воспринимает, в частности, боковые силы, действующие на поршень.
Уплотнения стержней 9, предусмотренные внутри канавок 8, заключают между уплотнительными элементами, которые обеспечивают уплотнение относительно направляющей масло области 13 цилиндра 7, также полое пространство 14, проходящее в окружном направлении поршня. Масло, которое собирается в этом полом пространстве 14 между обоими уплотнительными элементами уплотнения стержня 9, направляется обратно через соответствующие каналы 15 возврата утечек из этого полого пространства 14 в область 13, направляющую масло.
Кроме этого в области собирающего пространства 11 предусмотрено отверстие 16 во внутренней стенке 10 цилиндра, которое создает не проницаемое для текучей среды соединение между собирающим пространством 11 и областью низкого давления парового контура (не изображен). При этом отверстие 16 так выполнено внутри внутренней стенки 10 цилиндра и длина шейки 2 поршня определена такой, что отверстие 16 находится в каждый момент времени, во время движения поршня между верхней и нижней мертвыми точками в области собирающего пространства 11. Парообразная текучая среда, которая несмотря на поршневые кольца 5, попадает в это собирающее пространство 11, расширяется и, наконец, через отверстие 16 внутри внутренней стенки 10 цилиндра направляется в область низкого давления парового контура.
Комбинация уплотнения посредством поршневых колец 5 в области головки 1 поршня, а также в области юбки 3 поршня с помощью уплотнения стержня 9 с шейкой 2 поршня, во внешней области которой образовано собирающее пространство 11 для протекающего из рабочей камеры газа, в частности пара, обеспечивает, что не произойдет или произойдет лишь минимальное обоюдное загрязнение масла и рабочей среды - пар. При этом техническое решение, соответствующее изобретению, отличается прежде всего тем, что оно реализует соответствующее уплотнение с помощью относительно простых конструктивных элементов.
Фиг.2 показывает внешний вид поршня, выполненного соответственно изобретению, в пространственном изображении. Направление поршня внутри цилиндра 7 происходит благодаря предусмотренной в области юбки 3 поршня направляющей поверхности 6. Далее, в области юбки 3 поршня предусмотрены две втулки 17 под болт, в которых закреплен шатун 18 с помощью соответствующего болта 19. Как только соответственно выполненный поршень внутри цилиндра 7 вследствие расширения сжатого пара внутри расширительной (рабочей) камеры 12 будет приведен в линейное движение, приводится в движение также шатун 18. Линейное движение поршня передается с помощью шатуна 18 на коленчатый вал 20 и таким образом преобразуется во вращательное движение. Коленчатый вал 20 поршневого детандера 21 находится косвенно, например через обгонную муфту, или непосредственно в механическом активном соединении с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания (не изображен).
,
Фиг.3 показывает выполненный в соответствии с изобретением поршневой детандер 21 с двумя цилиндрами 7. Далее, на этом изображении схематично изображены два пружинно нагруженных впускных клапана 22, на движение которых также действует вращение коленчатого вала 20. Цилиндры 7 и тем самым движущиеся в цилиндрах поршни расположены так, что средние оси цилиндров 7 расположены параллельно друг другу со смещением на расстояние A=B относительно друг друга. Соответствующее расположение цилиндров 7 относительно друг друга достигается за счет соответствующей реализации геометрии кривошипного механизма. Преимущественно смещение средних осей цилиндров друг относительно друга составляет 25 мм.
На основе геометрии, изображенной на Фиг.3, обеспечивается, что изображенный слева цилиндр 7 расположен после верхней мертвой точки, когда цилиндр, изображенный справа, находится в нижней мертвой точке. Такая же конфигурация наступает, как только поршни находятся в соответственно противостоящих конечных положениях. Это конструктивное мероприятие обеспечивает, что при протекании пара через расположенный параллельно впускному клапану цилиндра байпасный клапан поршень цилиндра движется в нижнюю мертвую точку и вследствие этого впускной клапан, соответственно, другого, находящегося после верхней мертвой точки цилиндра, открыт и при нагружении паром поршневой детандер самостоятельно приводится в действие в надлежащем направлении. Для позиционирования поршневого детандера 21 в одном из обоих мест приведения в действие в головках цилиндров предусмотрен расположенный параллельно впускному клапану байпасный клапан, который создает соединение между расширительной камерой 12 и системой подачи пара.
В период прогрева поршневого детандера 21 еще жидкая рабочая среда или влажный пар направляется не через расширительную камеру 12 цилиндра 7, а, прежде всего, через нагревающую линию в головке цилиндра с расположенным после этого дроссельным клапаном. Таким образом, сначала разогревается цилиндр 7. Как только в распоряжение предоставится достаточно тепла и массовый поток теплоносителя сможет полностью превратиться в пар, давление внутри системы подачи пара также повышается и пар, наконец, втекает через байпасные клапаны в разогретые расширительные камеры 12 цилиндров 7. Тот цилиндр, который не находится в фазе выпуска, подвергается давлению в направлении нижней мертвой точки. Таким образом, открывается впускной клапан противолежащего цилиндра и детандер приводится в действие самостоятельно при нагружении паром.