СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА РАСШИРЕНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПЕРЕПУСКНЫМИ КЛАПАНАМИ В ЦИЛИНДРАХ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО С ОППОЗИТНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ПОРШНЕЙ ЭНЕРГОМОДУЛЯ, СОЕДИНЕННЫХ С ПОРШНЯМИ КОМПРЕССОРА СЖАТИЯ ГАЗОВ
METHOD TO OPTIMISE COMBUSTION PRODUCT EXPANSION PROCESS IN PISTONS OF FREE PISTON POWER UNIT WITH OPPOSITE PISTON MOVEMENT CONNECTED TO PISTONS OF GAS COMPRESSOR WITH HELP OF RELIEF VALVES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайший прототип заявленного изобретения патент 2479733 «Способ увеличения эффективности процесса расширения продуктов сгорания перепуском воздуха между компрессорными полостями расширительных машин в свободнопоршневом двухцилиндровом энергомодуле с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором».
Реферат патента 2479733. Изобретение относится к области энергомашиностроения. В способе увеличения эффективности процесса расширения продуктов сгорания перепуском воздуха между компрессорными полостями расширительных машин в свободнопоршневом двухцилиндровом энергомодуле с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором, включающим общую внешнюю камеру сгорания, две поршневые расширительные машины, линейный электрогенератор и систему управления, согласно изобретению система управления энергомодуля отслеживает текущие значения скорости и ускорения поршневой группы, давления продуктов сгорания в камере сгорания и рабочей полости, давление сжимаемого в компрессорной полости воздуха каждой расширительной машины энергомодуля, в соответствии с этими значениями определяет момент времени открытия перепускного клапана, обеспечивающего максимальное расширение продуктов сгорания в рабочей полости к моменту времени прибытия поршневой группы в противоположную крайнюю точку движения, и подает команду на открытие перепускного клапана, в результате чего сжатый в компрессорной полости воздух перетекает в другую компрессорную полость этой же расширительной машины. Изобретение обеспечивает повышение эффективности процесса расширения продуктов сгорания.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель изобретения состоит в оптимизации процесса расширения продуктов сгорания газораспределительными клапанами в цилиндрах свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания газораспределительными клапанами в цилиндрах свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов, поясняется на примере принципа его действия.
Система управления компрессором подает во внешнюю камеру сгорания 1 (система управления не показана) топливо форсункой 2 (см. чертеж) и воспламеняет свечой зажигания 3. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 по трубопроводу 4 через впускной клапан 5 поступают в правую (по фигуре) полость поршня 6 и через впускной клапан 7 в левую полость поршня 8, и под действием поступающих продуктов сгорания поршни начинают расходиться. Так как площадь правой поверхности поршня 6 больше площади его левой поверхности на разность площадей поперечного сечения штоков 9 и 10, то давление сжимаемого в левой полости поршня 6 воздуха больше, чем давление продуктов сгорания в его правой полости. Поэтому воздух из левой полости поршня 6 через обратный клапан 11 по трубопроводу 12 подается во внешнюю камеру сгорания 1. Туда же форсункой 2 впрыскивается очередная доза топлива. Одновременно через обратный клапан 13 из атмосферы засасывается воздух в правую полость поршня 14, а из его левой полости через выпускной клапан 15 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) выбрасывается в атмосферу. Аналогично по тем же причинам при движении поршня 8 сжимаемый в его правой полости воздух через обратный клапан 16 по трубопроводу 12 подается во внешнюю камеру сгорания 1. Через обратный клапан 17 из атмосферы засасывается воздух в левую полость поршня 18, а из его правой полости через выпускной клапан 19 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) выбрасывается в атмосферу. После достижения поршнями точек крайнего расхождения система управления переводит впускные клапаны 5, 7, 20 21 и выпускные клапаны 15, 19, 22, 23 в противоположные положения. Теперь продукты сгорания из внешней камеры сгорания 1 по трубопроводу 4 через впускной клапан 20 поступают в левую торцевую полость поршня 14 и через впускной клапан 21 в правую торцевую полость поршня 18, и поршни начинают сходиться. Через обратные клапаны 24 и 25 сжимаемый в правой полости поршня 14 и в левой полости поршня 18 воздух по трубопроводу 12 поступает во внешнюю камеру сгорания 1. Туда же форсункой 2 впрыскивается очередная доза топлива. Через обратные клапаны 26 и 27 из атмосферы засасывается воздух в левую полость поршня 6 и правую полость поршня 8. Из правой полости поршня 6 через выпускной клапан 22 и из левой полости поршня 8 через выпускной клапан 23 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) выбрасывается в атмосферу. Одновременно при расхождении поршней 6, 7, 14, 18 в полостях соединенных с ними поршней 28, 34 происходит сжатие различных газов - основная функция компрессора. Сжимаемый в левой полости поршня 28 газ через выпускной клапан 29 по трубопроводу 30 поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 33 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его правую полость. Соответственно сжимаемый в правой полости поршня 34 газ через выпускной клапан 35 также по трубопроводу 30 поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 36 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его левую полость. По достижению поршнями крайних точек расхождения система управления переводит выпускные клапаны 29, 35, 37, 38 в противоположные положения. Теперь сжимаемый в правой полости поршня 28 газ через выпускной клапан 37 по трубопроводу 30 поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 39 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его левую полость. Сжимаемый в левой полости поршня 34 газ через выпускной клапан 38 по трубопроводу 30 также поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 40 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его правую полость. Сжатый таким образом в компрессоре газ из ресивера 32 по трубопроводу 41 подается потребителю.
Поскольку поршни энергомодуля и компрессора движутся оппозитно, достаточно показать процесс оптимизации расширения продуктов сгорания в одном, например, в его левом цилиндре.
Итак, если при движении поршней справа налево рабочий цикл будет протекать по данному сценарию, преобразование энергии расширяющихся продуктов сгорания в кинетическую энергию поршней будет малоэффективно в силу того, что давление продуктов сгорания в правой полости поршня 6 на всем пути движения практически равно таковому во внешней камере сгорания 1. Расширение продуктов сгорания при этом в основном происходит только при выбросе их из цилиндра в конце пути поршней через выпускной клапан 22, не производя никакой полезной работы. Поэтому для повышения эффективности преобразования энергии необходимо организовать расширение продуктов сгорания непосредственно в цилиндре, в данном случае в правой полости поршня 6. Для этого при движении поршней 6 и 14 слева направо в результате поступления продуктов сгорания из внешней камеры сгорания 1 через впускной клапан 20 система управления отслеживает текущие величины давления продуктов сгорания в камере сгорания 1 и давления сжимаемого воздуха в правой компрессорной полости поршня 14. В соответствии с этими величинами система вырабатывает алгоритм определения момента времени открытия и закрытия перепускного клапана 42, обеспечивающий максимальное расширение продуктов сгорания в левой рабочей полости поршня 14 к моменту прибытия поршней в противоположную крайнюю точку движения, и в соответствии с алгоритмом подает команду на открытие перепускного клапана 42. В результате сжатый в правой компрессорной полости поршня 14 воздух перетекает в левую компрессорную полость поршня 6. Противодействие воздуха в правой компрессорной полости поршня 14 движению поршней резко уменьшается, способствуя процессу расширения продуктов сгорания в левой рабочей полости поршня 6. К этому моменту в левую компрессорную полость поршня 6 уже поступило некоторое количество воздуха из атмосферы через обратный клапан 26. Поступающий туда же через перепускной клапан 42 до определенной степени сжатый в правой полости поршня 6 воздух дополнительно заряжает левую компрессорную полость поршня 6 и засасывание воздуха из атмосферы через обратный клапан 26 прекращается. При этом энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха на данной фазе такта, также вместе с воздухом перебрасывается туда же и сообщает дополнительный импульс кинетической энергии поршням. Энергия на преодоление динамического сопротивления в обратном клапане 26 переносится на перепускной клапан 42. Процесс оптимизации расширения продуктов сгорания в правом цилиндре протекает аналогичным образом с помощью перепускного клапана 43.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания клапанами перепуска воздуха из компрессорной полости одного поршня в компрессорную полость другого поршня в цилиндрах свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов, включающего систему управления, внешнюю камеру сгорания, два поршня с компрессорными полостями и клапан перепуска выхлопных газов в каждом цилиндре, отличающийся тем, что система управления отслеживает текущие величины давления поступающих в рабочую полость поршня энергомодуля продуктов сгорания из внешней камеры сгорания и давления сжимаемого воздуха в компрессорной полости того же поршня и на основании этих величин вырабатывает алгоритм моментов времени открытия и закрытия клапана перепуска выхлопных газов из компрессорной полости одного поршня в компрессорную полость другого поршня, обеспечивающий поступление оптимальной массы выхлопных газов во внешнюю камеру сгорания, затем система управления открывает клапан перепуска выхлопных газов из компрессорной полости поршня одного поршня в компрессорную полость другого поршня, в результате чего поступающие через клапан перепуска выхлопных газов из компрессорной полости одного поршня в компрессорную полость другого поршня выхлопные газы смешиваются там со сжимаемым воздухом, и смесь воздуха с выхлопными газами поступает во внешнюю камеру сгорания.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Затраты на НИОКР и производство заявленного изобретения не могут значительно отличаться от таковых при проектировании и отработке классических компрессоров.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
Фигура. Принципиальная схема свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов.
1 - внешняя камера сгорания; 2 - форсунка; 3 - свеча зажигания; 4, 12, 30, 41 - трубопровод; 5, 7, 20, 21 - впускной клапан; 6, 8, 14, 18, 28, 34 - поршень; 9, 10 - шток; 11, 13, 16, 17, 24, 25, 26, 27, 33, 36, 39, 40 - обратный клапан; 15, 19, 22, 23, 29, 35, 37, 38 - выпускной клапан; 31 - радиатор; 32 - ресивер; 42, 43 - перепускной клапан.