УСТРОЙСТВО ПРОДУВКИ ДЛЯ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВСТРЕЧНО-ДВИЖУЩИМИСЯ ПОРШНЯМИ

Полезная модель относится к области двигателестроения, конкретно к устройствам для прямоточной продувки свободнопоршневых двухтактных двигателей внутреннего сгорания с встречно-движущимися поршнями, в которых требуется принудительная продувка цилиндропоршневой группы свежим воздухом под избыточным давлением после каждого рабочего такта, и может быть использована в различных отраслях, в том числе и для машин разнообразного назначения аналогичного типа.
Известно устройство продувки свободнопоршневого двухтактного двигателя внутреннего сгорания, например двигателя-компрессора (RU №2084662, 1997 г.), имеющего компоновку с встречно-движущимися поршнями и прямоточно-щелевой продувкой, осуществляемой посредством встроенного в двигатель продувочного насоса и ресивера, с полостью которого связаны впускные окна цилиндра. Продувочный насос в нем работает по типу поршневого компрессора, поршень которого установлен на штоке одного из рабочих поршней машины и перемещается внутри полости цилиндра вместе с ним - это увеличивает массу движущихся частей, что приводит к снижению частоты работы и соответственно мощности двигателя; часть полезной мощности отбирается на сжатие продувочного воздуха; усложняется процесс управления двигателем и балансировка подвижных поршней.
Известны устройства для продувки двигателей внутреннего сгорания, снабженных турбокомпрессорами, работающими с использованием энергии отработавших газов, например устройство, состоящее по меньшей мере из одного компрессора и одной турбины, связанных общим валом, обводной трубы, соединяющей выход из компрессора и вход в турбину, и отдельно расположенной вспомогательной камеры сгорания, установленной на обводной трубе, с топливоподающей форсункой и системой воспламенения (US №4125999, 1978 г.), вал турбокомпрессора в котором может быть раскручен до номинальных оборотов за счет сжигания дополнительного топлива во вспомогательной камере сгорания. Такое решение обеспечивает условия по температуре и давлению отработавших газов, требуемые при пуске двигателя и его работе при низкой мощности, но наличие дополнительной камеры сгорания со сложной системой воспламенения топлива в ней усложняет компоновку двигателя и в совокупности с дополнительным расходом топлива удорожает его.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является устройство для продувки двигателя внутреннего сгорания, имеющего турбокомпрессор, работающий с использованием энергии отработавших газов, компрессор которого встроен во впускную магистраль подачи сжатого воздуха двигателя, а турбина - в его выпускную магистраль (RU №101093 U, 2011 г.), содержащее ресивер для аккумулирования энергии отработавших газов на режимах сброса нагрузки, канал сжатых газов с обратным клапаном, служащий для подключения входа ресивера к выпускной магистрали двигателя, и снабженный управляемым перепускным клапаном канал подачи отработавших газов, соединяющий выход ресивера с входом турбины турбокомпрессора. В нем в зависимости от режима движения транспортного средства (торможения, ускорения или равномерного движения) на турбину турбокомпрессора отработавший газ поступает либо единым потоком по выпускному трубопроводу, идущему от цилиндра, либо при суммировании этого потока с потоком отработавших газов из ресивера.
В прототипе, поскольку конструктивное исполнение ресивера не позволяет наполнять его сжатым воздухом, не решается проблема эффективной продувки свободнопоршневого двухтактного двигателя внутреннего сгорания с встречно-движущимися поршнями при его первичном запуске, что следует отнести к основному недостатку прототипа. К тому же в нем из-за взаимной интеграции канала отработавших газов и канала сжатых газов усложнен алгоритм управления работой перепускных клапанов, встроенных в эти каналы.
Кроме того, в прототипе требуется ресивер большого размера для того, чтобы запасти необходимое количество отработавших газов для раскручивания турбокомпрессора и для обеспечения необходимого расхода запасенных отработавших газов через турбокомпрессор, так как давление отработавших газов на такте выпуска не велико.
Задача, решаемая полезной моделью, и технический результат, получаемый при ее реализации, направлены на расширение арсенала технических средств для прямой продувки двигателей внутреннего сгорания, требующих эффективной принудительной продувки.
Сущность полезной модели состоит в том, что в устройстве продувки для свободнопоршневого двухтактного двигателя внутреннего сгорания с встречно-движущимися поршнями, имеющего турбокомпрессор, работающий с использованием энергии отработавших газов, компрессор которого встроен во впускную магистраль подачи сжатого воздуха двигателя, а турбина - в его выпускную магистраль, содержащем ресивер для аккумулирования энергии отработавших газов, канал сжатых газов с обратным клапаном, служащий для подключения основного входа ресивера к выпускной магистрали, и снабженный управляемым перепускным клапаном канал подачи отработавших газов для соединения выхода ресивера с входом турбины турбокомпрессора, в отличие от прототипа, ресивер снабжен дополнительным входом с клапаном аварийного сброса давления, предназначенным для его наполнения в период, предшествующий пуску двигателя, сжатым воздухом, используемым для первичного запуска турбины турбокомпрессора, и возможности стравливания избыточного давления на всем протяжении работы, и при этом основной вход ресивера подключен к выпускной магистрали на выходе камеры сгорания двигателя посредством упомянутого канала сжатых газов, выполненного с возможностью регулирования проходного сечения посредством управляемого клапана для обеспечения регулирования расхода отработавших газов.
Предлагаемое устройство прямоточной продувки позволяет осуществлять продувку свободнопоршневых двухтактных двигателей внутреннего сгорания с встречно-движущимися поршнями (СПДДВС), начиная с момента запуска двигателя, в том числе первого пуска устройства, когда ресивер еще не заполнен отработавшими газами, за счет того, что ресивер заполняется сжатым воздухом с помощью воздушного компрессора до заданного давления через дополнительный вход с клапаном аварийного сброса давления. Применение устройства продувки позволяет в процессе работы заполнять ресивер сжатыми отработавшими газами из камеры сгорания СПДДВС, за счет которых происходят раскручивание ротора турбокомпрессора работающего двигателя и повышение давления продувочного воздуха.
На представленном чертеже дан общий вид устройства (схема).
Ресивер 1 устройства своим выходом связан с турбиной 2 турбокомпрессора 3 свободнопоршневого двигателя 4, содержащего компрессор 5, подключенный посредством впускной магистрали 6 к впускным окнам 7 цилидропоршневой группы двигателя 4, с выпускными окнами 8 которой магистралью 9 связана турбина 2.
Один (основной) вход ресивера 1 каналом 10 подачи отработавших газов подключен к выпускной магистрали двигателя 4 на выходе камеры сгорания, что позволяет наполнять ресивер отработавшими газами, имеющими давление, приближенное к 50 атмосферам (или максимальному давлению в цилиндре), и для обеспечения регулирования расхода отработавших газов канал 10 выполнен с возможностью регулирования проходного сечения посредством управляемого клапана 11.
Другой (дополнительный) вход ресивера 1 с расположенным в нем клапаном 12 аварийного давления предназначен для наполнения ресивера в период, предшествующий пуску двигателя, с помощью воздушного компрессора (условно не показан) сжатым воздухом, который используется для первичного запуска турбины турбокомпрессора, и обеспечения стравливания избыточного давления на всем протяжении работы устройства.
С турбиной 2 выход ресивера 1 соединен каналом 13 подачи отработавших газов с расположенным на нем управляемым клапаном 14.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Перед первоначальным пуском свободнопоршневого двигателя 4 ресивер 1 заполняется сжатым воздухом через клапан 12 до достижения заданного давления, определяемого клапаном, и при пуске двигателя 4 сжатый воздух по каналу 13 через открытый управляемый клапан 14 поступает на турбину 2 турбокомпрессора 3, за счет чего обеспечивается повышение частоты вращения турбокомпрессора до номинальных оборотов и повышение давления продувочного воздуха в компрессорной части 5, подаваемого посредством впускной магистрали 6 к продувочным окнам 7 двигателя 4. В процессе работы свободнопоршневого двигателя 4 часть отработавших газов под высоким давлением на такте расширения поступает по каналу 10 через открытый управляемый клапан 11 и обратный клапан 15 в ресивер 1 до тех пор, пока давление в нем не достигнет заданного значения, после чего управляемый клапан 11 закрывается. Дальнейшая работа устройства осуществляются по описанному выше алгоритму за счет запасенных в ресивере 1 сжатых отработавших газов, подаваемых в турбину 2 по каналу 13 при открытии клапана 14.
Преимуществами предлагаемого устройства являются:
- высокое давление отработавших газов в ресивере - связь ресивера с камерой сгорания позволяет повышать давление отработавших газов в нем до максимального давления в камере сгорания, а это, в свою очередь, позволяет уменьшить габариты ресивера;
- высокое давление продувочного воздуха в начале запуска СПДДВС - за счет использования запасенного в ресивере свежего воздуха под высоким давлением обеспечивается за короткий период времени требуемое раскручивание ротора турбокомпрессора в период, когда отработавших газов, выделяемых свободнопоршневым двигателем при пуске, недостаточно;
- повышение технических характеристик свободнопоршневого двигателя с встречно-движущимися поршнями, т.к. для привода турбокомпрессора используется только энергии отработавших газов, а снижение времени выхода турбокомпрессора на номинальные обороты за счет подачи отработавших газов из ресивера под высоким давлением, в свою очередь, улучшает пуск свободнопоршневого двигателя.
Устройство обладает компактной и технологичной конструкцией и может быть использовано в широком спектре свободнопоршневых машин, работающих по типу двигателя Стерлинга, конструкции которых предусматривают обязательную принудительную прямую продувку.
Изготовление устройства не требует значительных капитальных затрат, оно может быть изготовлено в условиях действующего производства с использованием широко используемых и доступных материалов и комплектующих.