ДВИГАТЕЛЬ-КОМПРЕССОР ДЛЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ТОПЛИВ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
ENGINE-COMPRESSOR FOR GAS FUELS AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к области разработки, создания и эксплуатации компрессорных агрегатов для сжатия и перекачки газообразных топлив, а также к области поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), работающих на газовом топливе.
Известен способ работы компрессора, включающий первичное преобразование одного из видов энергии в энергию вращательного движения 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 рабочего объёма цилиндра компрессора газообразным топливом из магистрали низкого давления (МИД), повышение его потенциальной энергии путём сжатия и подачу сжатого газа в магистраль высокого давления (МВД).
(Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные установки. М.: Энергоатомиздат, 1989 г.).
Указанный способ работы реализуется как в лопаточных, так и в поршневых компрессорах.
В газодобывающей отрасли широкое распространение получили газоперекачивающие агрегаты, у которых привод и компрессор представляют многоступенчатые лопаточные машины. Но такие агрегаты обладают повышенной стоимостью изготовления, пониженным КПД и повышенной эмиссией вредных веществ.
Поршневые компрессоры хотя и имеют преимущество по этим показателям, но они уступают лопаточным по эксплуатационным затратам и массогабаритным характеристикам.
Способ работы непосредственно поршневого компрессора включает преобразование вращательного движения коленчатого вала в возвратно-поступательное движение основного поршня, связанного с валом посредством шатуна, за счёт чего обеспечивается циклическое чередование тактов расширения и сжатия для наполнения цилиндра газом из магистрали низкого давления, сжатие и подача газа в магистраль высокого давления при соответствующим этим тактам подключении/отключении рабочего объёма цилиндра к этим магистралям.
В состав компрессора входят: цилиндрический корпус с подсоединёнными к нему магистралями газообразного топлива низкого и высокого давлений со своими клапанами; основной поршень, связанный посредством шатуна с коленчатым валом, совершающий возвратно-поступательное движение внутри рабочего объёма цилиндра; окна в корпусе цилиндра для наполнения цилиндра из магистрали низкого давления и подачи сжатого газа в магистраль высокого давления ; клапана, обеспечивающие подключение/отключение рабочего объёма цилиндра к этим магистралям(DE 10149394 А, 24.04.03).
Известны также компрессорные установки, в которых в качестве привода используют поршневые ДВС, например дизели (дизельные компрессоры фирмы Sullair и т.п.). Как известно ДВС состоит из тех же элементов, которые входят в состав поршневого компрессора и дополнительно включает систему подачи топлива и воздуха в камеру сгорания для обеспечения процесса сгорания и систему удаления отработавших газов. Способ работы ДВС включает наполнение цилиндра воздухом, сжатие воздуха основным поршнем, связанным с валом двигателя, подачу топлива, сгорание и расширение продуктов сгорания, при котором обеспечивается двигательный режим за счёт воздействия давления продуктов сгорания на основной поршень на такте расширения. Подробно способ работы и различные устройства поршневых ДВС известны (Фомин Ю.Я., Горбань А.И. и др. Судовые двигатели внутреннего сгорания. - Л.: Судостроение, 1989 г.).
Для всех описанных способов и устройств основным недостатком является необходимость наличия двух отдельных функциональных блоков, что приводит к увеличению массогабаритных характеристик, повышенным потерям энергии и усложнению условий эксплуатации.
Известен также способ работы двигателя-компрессора, включающий процессы преобразования тепловой энергии в механическую энергию возвратно-поступательного движения основного поршня, связанного с валом двигателя и обеспечения за счёт этого циклического чередования тактов сжатия и расширения в рабочем объёме цилиндра, преобразования механической энергии основного поршня в потенциальную энергию газа для наполнения рабочего объёма цилиндра газом и магистрали низкого давления, повышения его потенциальной энергии путём сжатия, подачи в магистраль высокого давления при соответствующим этим тактам подключении/отключении рабочего объёма цилиндра к магистралям низкого и высокого давлений, причём наполнение рабочего объёма газом проводят в камеру нагнетания, изолированную от камеры сгорания автономным поршнем, не связанным с валом двигателя, разделяющим рабочий объём цилиндра на эти камеры, выпуск отработавших газов проводят из камеры сгорания, при этом часть газа камеры нагнетания подают в камеру сгорания за счёт ограничения перемещения автономного поршня на такте сжатия, причём на такте расширения повышают потенциальную энергию газа камеры нагнетания за счёт перемещения автономного поршня под действием повышенного давления продуктов сгорания, получаемого в результате процесса сгорания топлива в среде воздух, подаваемых в камеру сгорания, при этом двигательный режим обеспечивают за счёт передачи давления газа камеры нагнетания на основной поршень.
Известно и устройство, реализующее такой способ работы.
Двигатель-компрессор включает цилиндрический корпус с подсоединёнными к нему магистралями газообразного топлива низкого и высокого давлений со своими клапанами, основной поршень, связанный посредством шатуна с коленчатым валом, совершающий возвратно-поступательное движение внутри рабочего объёма цилиндра, автономный поршень, не связанный с валом двигателя, совершающий возвратно-поступательное движение внутри того же рабочего объёма под действием разности давлений между камерами нагнетания и сгорания, на которые он разделяет рабочий объём цилиндра, упор, ограничивающие перемещение автономного поршня на такте сжатия, окна наполнения камеры нагнетания, расположенные в районе нижней мёртвой точки, окна подачи газа из камеры нагнетания в камеру сгорания с регулирующим клапаном, установленным на магистрали сообщения камер нагнетания и сгорания, клапана выпуска отработавших газов и подачи цикловой порции газа в камеру сгорания, расположенные на крышке цилиндра (RU 2146007 A, 27.02.2000).
Известное техническое решение принято за прототип, как обладающее наибольшим числом совпадающих признаков.
Недостатком известного устройства является отсутствие возможности использовать устройство для целей сжатия и перекачки газа из МНД в МВД и отсутствие возможности использовать одно и тоже устройство в двигательном или компрессорном режимах.
Задачей, поставленной в настоящем изобретении, является повышение эффективности работы газоперекачивающих агрегатов, улучшение массогабаритных и эксплуатационных характеристик двигателей-компрессоров, а также расширение функций устройства, за счёт обеспечения перевода работы устройства из компрессорного режима в двигательный или наоборот.
Указанная задача и технический результат достигается тем, что в способе работы, включающем процессы преобразования тепловой энергии в механическую энергию возвратно-поступательного движения основного поршня, связанного с валом двигателя и обеспечения за счёт этого циклического чередования тактов сжатия и расширения в рабочем объёме цилиндра, преобразования механической энергии основного поршня в потенциальную энергию газа для наполнения рабочего объема цилиндра газом и магистрали низкого давления, повышения его потенциальной энергии путем сжатия, подачи в магистраль высокого давления при соответствующим этим тактам подключении/отключении рабочего объема цилиндра к магистралям низкого и высокого давлений, причем наполнение рабочего объема газом проводят в камеру нагнетания, изолированную от камеры сгорания автономным поршнем, не связанным с валом двигателя, разделяющим рабочий объем цилиндра на эти камеры, выпуск отработавших газов проводят из камеры сгорания, при этом часть газа камеры нагнетания подают в камеру сгорания за счет ограничения перемещения автономного поршня на такте сжатия, причем на такте расширения повышают потенциальную энергию газа камеры нагнетания за счет перемещения автономного поршня под действием повышенного давления продуктов сгорания, получаемого в результате процесса сгорания топлива в среде воздух, подаваемых в камеру сгорания, при этом двигательный режим обеспечивают за счет передачи давления газа камеры нагнетания на основной поршень, преобразование энергии проводят в одном рабочем объеме, для чего в камеру нагнетания подают газообразное топливо из магистрали низкого давления, часть которого на такте сжатия подают в камеру сгорания, куда предварительно подают воздух, при этом потенциальную энергию газа камеры нагнетания, повышаемую за счет перемещения автономного поршня на такте расширения, используют для сжатия и подачи газа в магистраль высокого давления и для обеспечения двигательного режима, а перевод режима работы с компрессорного в двигательный и обратно проводят соответствующим изменением подач воздуха и топлива в камеры нагнетания и сгорания. Кроме того, для двигателя-компрессора с количеством цилиндров более одного обеспечивают параллельное и (или) последовательное сжатие газа в камерах нагнетания разных цилиндров.
В устройстве указанная задача и технический результат достигается тем, что двигатель-компрессор, включающий цилиндрический корпус с подсоединёнными к нему магистралями газообразного топлива низкого и высокого давлений со своими клапанами, основной поршень, связанный посредством шатуна с коленчатым валом совершающий возвратно-поступательное движение внутри рабочего объёма цилиндра, автономный поршень, не связанный с валом двигателя, совершающий возвратно-поступательное движение внутри того же рабочего объёма под действием разности давлений между камерами нагнетания и сгорания, на которые он разделяет рабочий объём цилиндра, упор, ограничивающие перемещение автономного поршня на такте сжатия, окна наполнения камеры нагнетания, расположенные в районе нижней мёртвой точки, окна подачи газа из камеры нагнетания в камеру сгорания с регулирующим клапаном, установленным на магистрали сообщения камер нагнетания и сгорания, клапана выпуска отработавших газов и подачи цикловой порции газа в камеру сгорания, расположенные на крышке цилиндра окна наполнения камеры нагнетания, сообщены с магистралью газообразного топлива низкого давления; в крышке цилиндра установлено устройство подачи воздуха в камеру сгорания; в корпусе цилиндра расположены окна подачи сжатого газа в магистраль высокого давления, суммарная площадь которых и расположение по высоте цилиндра обеспечивают за время сообщения камеры нагнетания с магистралью высокого давления подачу заданного количество сжатого газа. Кроме того, клапана для наполнения камеры нагнетания и подачи воздуха в камеру сгорания обеспечивают возможность изменения подключения камеры нагнетания к воздушной, а камеры сгорания к топливной магистралям.
На фиг.1 представлена конструктивная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - индикаторная диаграмма цикла. Приняты следующие обозначения: 1 - корпус цилиндра двигателя-компрессора; 2 - окна наполнения камеры нагнетания газообразным топливом из магистрали низкого давления (штатная схема); 3 - основной поршень, связанный с валом двигателя (не показан); 4 - окна подачи газа из камеры нагнетания в камеру сгорания; 5 - регулирующий клапан на магистрали сообщения камер нагнетания и сгорания; 6 - устройство подачи топлива в камеру сгорания (штатная схема); 7 - клапана выпуска отработанных газов; 8- устройство подачи воздуха в камеру сгорания (штатная схема) с клапаном переключения подачи воздух/топливо; 9 - упор; 10 - окна подачи сжатого газообразного топлива из камеры нагнетания в магистраль высокого давления; 11 - клапан подачи топлива в магистраль высокого давления; 12 - автономный поршень; 13- клапан переключения подачи в камеру нагнетания топливо/воздух.
На левой половине фиг.1 сплошными линиями представлены положения автономного поршня 12 на упоре 9 и основного поршня в процессе подачи топлива из камеры нагнетания в камеру сгорания. На правой половине фиг.1 сплошными линиями представлены положения поршней в процессе подачи сжатого газа из камеры нагнетания в магистраль высокого давления - клапан 11 открыт. Чтобы избежать дополнительную графику, там же представлен процесс выпуска отработанных газов из камеры сгорания (клапан выпуска 7 открыт). Пунктирными линиями показаны положения основного поршня: - левая половина в момент начала процесса сжатия, когда окна 2 перекрыты основным поршнем 3; - правая половина в момент наполнения камеры нагнетания, когда окна 2 сообщаются с магистралью низкого давления при открытом клапане 13.
Для упрощения фиг.1, на нём не показаны такие конструктивные элементы, как шатун, коленчатый вал и не детализирована конструкция подачи газа в камеру сгорания.
На фиг.2 в нижней части представлена диаграмма перемещения основного (тонкая линия) и автономного (толстая линия) поршней и, совмещённая 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 характерные точки цикла ДВС. Весь цикл условно разбит на основные процессы, которые отмечены римскими цифрами, размещёнными между этими диаграммами. ВМТ и НМТ обозначают положение верхней и нижней «мертвых» точек двигателя-компрессора, Н(φ) - относительные ординаты положения основного поршня, a h(φ) - относительные ординаты положения автономного поршня.
В процессе работы пространство между основным 3 и автономным 12 поршнями представляет объём камеры нагнетания и при работе двигателя-компрессора в компрессорном (штатном) режиме заполнена газообразным топливом, предназначенным для сжатия и перекачки из магистрали низкого давления в магистраль высокого давления, пространство между автономным поршнем 12 и крышкой цилиндра компрессора предназначено для обеспечения процесса сгорания и до подачи в камеру топлива и воздуха, заполнено инертными продуктами сгорания. Устройство работает следующим образом (см. фиг.2).
1
2
2
3
3
4
Процессы сжатия -1 (φ…φ); досжатия - II (φ…φ) и начало процесса сгорания - III (φ…φ) осуществляются аналогично таким же процессам цикла бинарного ДВС. Разница заключается только в том, что в камеру нагнетания подаётся газообразное топливо, а не воздух, как в способе в RU 2146007. Кроме того, в предложенном устройстве, где реализуется способ работы, сообщение камер осуществляется по схеме «внешней подачи» - при помощи клапана 5 (фиг.1), установленного на магистрали сообщения окон 4 и 6 этих камер, вместо специально предусмотренных для этих целей элементов конструкции автономного поршня, обеспечивающих «внутреннюю подачу» газа из камеры нагнетания в камеру сгорания (RU 2146007). Применение той или иной схемы подачи газа в камеру сгорания не имеет принципиальных отличий в предлагаемом способе работы.
2
3
3
3
Процесс досжатия, как и в цикле бинарного ДВС, условно представлен двумя этапами: повышением давления в камере нагнетания при ограничении перемещения автономного поршня 12 упором 9 (φ…φ) и сообщением камер при открытом клапане 5 (φ…φ). Только в прототипе из камеры нагнетания в камеру сгорания подаётся воздух, а в предложенном способе при работе в компрессорном (штатном) режиме подаётся топливо.
c
z
В процессе сгорания давление в камере сгорания резко возрастает от p до p, а поскольку автономный поршень не связан непосредственно с валом двигателя, то через некоторое мгновение он будет перемещается и сжимать газ (в штатном режиме топливо), вызывая соответствующее повышение давления в камере нагнетания.
4
пдч
4
пдч
5
мвд
4
5
В процессе расширения - IV, начиная с φ, можно обеспечивать подачу сжатого газа в магистраль высокого давления. Для такой подачи должны соблюдаться два условия. Во-первых, окна подачи газообразного топлива в магистраль высокого давления 10 должны находиться по высоте цилиндра выше положения основного поршня 3 и, во-вторых, ниже положения автономного поршня 12. Диапазон возможного подключения камеры нагнетания к магистрали высокого давления по высоте цилиндра (см. фиг.2) ограничен ординатами Н' (начало подачи) и соответствует углу φ и Н'' (окончания подачи), которому соответствует угол φ. Указанный диапазон является максимальным. Кроме этого максимальная подача будет зависеть от суммарной площади каналов 10, высоты и относительного положения каналов. Завершается процесс подачи топлива в магистраль высокого давления и после выравнивания давления в камере нагнетания и давления в магистрали высокого давления - Р, после чего клапан 11 закрывают. Регулирование подачи газа может происходить только в сторону уменьшения, соответствующим изменением моментов открытия и закрытия клапана 11 в диапазоне поворота коленчатого вала φ…φ-.
Таким образом, в процессе сгорания и расширения продуктов сгорания происходит преобразование тепловой энергии в потенциальную энергию газа камеры нагнетания, за счёт перемещения дополнительного поршня 12 под действием давления со стороны газов камеры сгорания. Возросшую потенциальную энергию газа камеры нагнетания используют для сжатия и подачи газа в магистраль высокого давления и для обеспечения энергией двигательного режима.
5
6
После завершения процесса подачи IV можно сразу приступить к процессу выпуска отработавших газов - V, для чего достаточно открыть клапана 7. Иногда между процессами подачи IV и выпуска отработавших газов V имеет место процесс промежуточного расширения, который обеспечивает только двигательный режим. На диаграмме фиг.2 между φ и φ представлен, без обозначения, именно такой процесс расширения продуктов сгорания.
6
7
8
Процессы: выпуск отработанных газов - V (начало - φ), создания разрежения - VI (начало - (φ)) и наполнения камеры сгорания цикловой порцией газа - VII (начало - φ), осуществляют аналогично таким же процессам способа работы бинарного ДВС, поэтому здесь подробно не описываются.
Процесс VII заявленного способа работы двигателя-компрессора характеризуется тем, что вместе с наполнением камеры нагнетания газом из магистрали низкого давления, целесообразно проводить наполнение камеры сгорания воздушным зарядом. Для этого в период, когда основной поршень 3 перемещается в районе нижней мертвой точки, открывают клапан 8 и подают воздух в камеру сгорания. За счёт разрежения в цилиндре через переключающий клапан 8 в камеру сгорания будет поступать воздух, а через переключающий клапан 13 в камеру нагнетания будет поступать газообразное топливо из магистрали низкого давления.
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.
Перевод режима работы двигателя-компрессора с компрессорного режима в двигательный проводят следующим образом.
За счет постепенного, от цикла к циклу, сокращения, до полного прекращения, подачи газообразного топлива из камеры нагнетания в магистраль высокого давления путём уменьшения продолжительности открытия клапана 11 и его полного отключения, переводят режим работы из компрессорного в двигательный, используя вначале процесса газообразное топливо в качестве второго рабочего тела бинарного цикла. При необходимости проводят изменение подключения камеры сгорания к топливной магистрали, в том числе можно использовать и жидкое топливо, а камеру нагнетания к воздушной магистрали.
Перевод двигателя-компрессора на компрессорный режим проводят в обратном порядке.
Возможность работы в компрессорном, двигательном и смешанном режимах открывает возможность для многофункционального использования таких агрегатов. Например, судно направляется к газовому месторождению, еще не обеспеченному полностью соответствующей инфраструктурой, т.е. отсутствует оборудование, обеспечивающее необходимые параметры газа для его транспортировки. Переход осуществляется главными двигателями, работающими на газе в двигательном режиме. По прибытии к газовому месторождению главные двигатели переводятся на работу в компрессорный режим и начинают набивать танки сжатым газом. После закачки газа в танки главные двигатели переводятся на работу в двигательный режим, и судно берёт курс на базу и т.п.