Способ управления коэффициентом избытка воздуха перепускными клапанами между компрессорными и рабочими полостями поршней однотактного двигателя с внешней камерой сгорания
METHOD TO CONTROL EXCESS AIR BY BYPASS VALVES BETWEEN COMPRESSOR AND WORKING CAVITIES OF PISTONS OF SINGLE-STROKE ENGINE WITH EXTERNAL COMBUSTION CHAMBER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайшие аналоги заявленного изобретения - патент РФ 2543908 «Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания в цилиндре однотактного двигателя с внешней камерой сгорания» и патент РФ 2538231 «Способ рециркуляции выхлопных газов в цилиндр однотактного двигателя с внешней камерой сгорания».
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель изобретения - обеспечить управление коэффициентом избытка воздуха перепускным клапаном между компрессорными и рабочими полостями поршней однотактного двигателя с внешней камерой сгорания.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сущность заявленного изобретения поясняется на основе однотактного двигателя с внешней камерой сгорания и кривошипно-шатунным механизмом в одноцилиндровом исполнении по патенту РФ 2543908 (далее - двигатель). При пуске двигателя система управления подает во внешнюю камеру сгорания 1 форсункой 2 дозу топлива и воспламеняет его свечой зажигания 3 (см. фиг.). Топливо горит и, если поршни 4 и 5 находятся в положении, как показано на фигуре, то продукты сгорания из внешней камеры сгорания 1 по трубопроводу 6 через открытый впускной клапан 7 поступают в нижнюю (по рисунку) рабочую полость поршня 4. Под воздействием поступающих в нижнюю рабочую полость поршня 4 продуктов сгорания поршень 4, штоки 8, 9 и поршень 5 начинают движение вверх. Поскольку нижняя площадь поверхности поршня 4 больше его верхней площади поверхности на разность площадей поперечного сечения штоков 8 и 9, то давление сжимаемого в верхней компрессорной полости поршня 4 воздуха больше давления продуктов сгорания в его нижней полости. Поэтому воздух из верхней компрессорной полости поршня 4 через обратный клапан 10 поступает во внешнюю камеру сгорания 1, поддерживая в ней процесс горения периодически подаваемого форсункой 2 топлива. В нижнюю компрессорную полость поршня 5 через обратный клапан 11 засасывается воздух из атмосферы, а из верхней рабочей полости поршня 5 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) через выпускной клапан 12 выбрасывается в атмосферу. Таким образом, энергия продуктов сгорания через шток 9 и шатун 13 передается коленвалу 14. По прибытии поршней 4 и 5 в окрестности верхней мертвой точки система управления переводит впускной клапан 7 и выпускной клапан 12 в закрытое, а впускной клапан 15 и выпускной клапан 16 в открытое положение. Теперь продукты сгорания из внешней камеры сгорания 1 по трубопроводу 17 через впускной клапан 15 поступают в верхнюю рабочую полость поршня 5. Поршни 4 и 5 начинают движение вниз, и коленвал двигателя 14 продолжает вращение в прежнем направлении. Сжимаемый в нижней компрессорной полости поршня 5 воздух через обратный клапан 18 поступает во внешнюю камеру сгорания 1, обеспечивая горение периодически подаваемого форсункой 2 топлива. В верхнюю компрессорную полость поршня 4 через обратный клапан 19 засасывается воздух из атмосферы, а из его нижней рабочей полости отработавшие продукты сгорания через выпускной клапан 16 выбрасываются в атмосферу. Как видно из пояснения принципа действия двигателя, расширение продуктов сгорания в основном происходит только при выбросе их из цилиндра в конце движения поршней, не производя никакой полезной работы. Увеличение эффективности расширения продуктов сгорания в цилиндре во всем диапазоне нагрузок на двигатель осуществляется следующим образом. По аналогии с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) цилиндр однотактного двигателя можно представить условно разделенным на два объема. Первый соответствует камере сгорания ДВС - виртуальная камера сгорания. Остальной объем цилиндра, по сути дела, как и в ДВС, - виртуальный рабочий объем. Например, для начала движения поршней 4 и 5 из нижнего положения в верхнее, система управления открывает впускной клапан 7, и продукты сгорания поступают из камеры сгорания 1 в виртуальную камеру сгорания цилиндра (часть нижней рабочей полости поршня 4 от его начала движения). Температура и давление поступающих в виртуальную камеру продуктов сгорания цилиндра при этом практически равна таковым в камере сгорания 1. Поршни начинают движение снизу вверх и, когда пройдут соответствующий виртуальной камере сгорания путь, система управления закрывает впускной клапан 7. Доступ продуктов сгорания в цилиндр прекращается, и начинается процесс их расширения во всей нижней рабочей полости поршня 4 - в виртуальной камере сгорания и в виртуальном рабочем объеме цилиндра. Одновременно система управления отслеживает текущие значения скорости поршней 4 и 5, давление продуктов сгорания в камере сгорания 1, в нижней рабочей полости поршня 4 и давления сжимаемого в его верхней компрессорной полости воздуха. В соответствии с этими значениями система управления определяет момента времени открытия перепускного клапана 20, обеспечивающего максимальное расширение продуктов сгорания в нижней рабочей полости поршня 4 к моменту прибытия поршней 4 и 5 в верхнюю мертвую точку, и переводит в этот момент времени перепускной клапан 20 в открытое положение. В результате сжатый в верхней компрессорной полости поршня 4 воздух через перепускной клапан 20 перетекает в нижнюю компрессорную полость поршня 5. Противодействие воздуха в нижней рабочей полости поршня 4 движению поршней уменьшается. К этому моменту в нижнюю компрессорную полость поршня 5 уже поступило некоторое количество воздуха из атмосферы. Поступающий туда же через перепускной клапан 20 до определенной степени сжатый в верхней компрессорной полости поршня 4 воздух дополнительно заряжает нижнюю компрессорную полость поршня 5, и засасывание воздуха из атмосферы через обратный клапан 11 прекращается. При этом энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха на данной фазе такта, также вместе с воздухом перебрасывается туда же. При этом поступающий сжатый воздух, расширяясь, сообщает дополнительный импульс кинетической энергии поршням 4 и 5. Энергия на преодоление динамического сопротивления в клапане 11 переносится на клапан 19. То есть моменты времени открытия и закрытия впускного клапана 7 и перепускного клапана 20 система управления определяет таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность процесса расширения продуктов сгорания. Управление коэффициентом избытка воздуха перепускными клапанами между компрессорными и рабочими полостями поршней однотактного двигателя с внешней камерой сгорания осуществляется следующим образом. При движении поршней 4, 5 из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку система управления отслеживает следующие текущие параметры: массу, температуру и давление сжимаемого в верхней компрессорной полости поршня 4 воздуха, температуру и давление сгораемой во внешней камере сгорания 1 топливной смеси, и температуру, и давление в рабочей полости поршня 4 продуктов сгорания. На основе полученных данных и задаваемого коэффициента избытка воздуха система управления определяет момент времени открытия перепускного клапана 22 и в этот момент открывает клапана 22. Сжимаемый в верхней компрессорной полости поршня 4 воздух перетекает в его нижнюю рабочую полость, в результате чего во внешнюю камеру сгорания 1 поступает соответствующая задаваемому коэффициенту избытка воздуха топливная смесь. При движении поршней из верхней мертвой точки в нижнюю система управления оперирует перепускным клапаном между компрессорными и рабочими полостями перепускным клапаном 21.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ управления коэффициентом избытка воздуха перепускным клапаном между компрессорными и рабочими полостями поршней однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, включающего поршни с компрессорными и рабочими полостями, систему управления и перепускные клапаны между компрессорными и рабочими полостями поршней двигателя, отличающийся тем, что при движении поршней однотактного двигателя с внешней камерой сгорания из одной мертвой точки в другую мертвую точку движения система управления на основе отслеживаемой текущей величины массы, температуры и давления сжимаемого в компрессорных полостях поршней воздуха, отслеживаемой текущей величины температуры и давления сгораемой во внешней камере сгорания топливной смеси, и отслеживаемой текущей величины температуры и давления в рабочих полостях поршней продуктов сгорания определяет момент открытия перепускных клапанов между компрессорными и рабочими полостями поршней, соответствующий задаваемому коэффициенту избытка воздуха подаваемой во внешнюю камеру сгорания дозы топлива, и открывает его, при этом сжимаемый в компрессорных полостях поршней воздух перетекает в рабочие полости поршней, в результате чего во внешнюю камеру сгорания поступает соответствующая задаваемому коэффициенту избытка воздуха топливная смесь.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Требования к материалам и технологиям заявленного изобретения не выходят за рамки современных возможностей.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
Фигура. Принципиальная схема однотактного двигателя с внешней камерой сгорания.
1 - камера сгорания; 2 - форсунка; 3 - свеча зажигания; 4, 5 - поршень; 6, 17, 24, 25, 27, 31, 33, 35, 40, 41 - канал; 7, 12, 15, 16 - клапан; 8, 9 - шток; 10, 11, 18, 19 - обратный клапан; 13 - шатун; 14 - коленвал; 20, 21, 22 - перепускной клапан; 23 - клапан подачи воздуха; 26 - турбина; 28 - насос охлаждающей жидкости; 29 - вентилятор; 30 - труба охлаждения поршней и штоков; 32 - радиатор; 34 - полость между цилиндром двигателя и рубашкой охлаждения цилиндра двигателя; 35 - цилиндр двигателя; 36 - рубашка охлаждения цилиндра двигателя; 37 - датчик температуры охлаждающей жидкости, 38, 39 - термостат.