СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОРШНЕВОГО ДЕТАНДЕРА ПАРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
OPERATING METHOD OF PISTON EXPANSION MACHINE OF STEAM ENGINE

Изобретение касается способа эксплуатации поршневого детандера, при котором из подвода пара свежий пар направляется через впускной клапан в полость цилиндра, введенный в полость цилиндра свежий пар в рабочем такте за счет перемещения поршня от верхней к нижней мертвой точке расширяется, и расширенный пар по достижении нижней мертвой точки из закрываемого выпускного отверстия направляется в отвод пара.
Для обеспечения возможности экономии топлива, в частности, у мобильных двигателей внутреннего сгорания, таких как, например, автомобильные двигатели внутреннего сгорания, в настоящее время имеются два основных приоритетных технических решения. Наряду с применением различных гибридных схем, которые предлагаются, прежде всего, для городского и диспетчеризованного сообщения в связи с характерными для него процессами торможения и ускорения, известны также системы рекуперации тепла, которые используют отходящее тепло двигателя внутреннего сгорания для получения дополнительной приводной энергии. Такие системы для утилизации тепла мобильных двигателей внутреннего сгорания предлагаются, прежде всего, для автомобилей, которые используются для дальнего сообщения.
У таких систем рекуперации тепла тепло, выделяющееся в области двигателя внутреннего сгорания и/или в отводе выхлопного газа, по меньшей мере, частично передается во вторичный тепловой контур. Во вторичном тепловом контуре циркулирует жидкость-теплоноситель и при этом обычно, по меньшей мере, частично испаряется в испарителе, пар расширяется в расширительном устройстве, например поршневом детандере, и затем снова сжижается в конденсаторе. Произведенная расширительным устройством механическая работа в качестве дополнительной работы отдается приводной системе, в частности приводной системе автомобиля. Точно так же можно использовать полученную за счет рекуперации тепла механическую работу для привода других компонентов, таких как, например, воздуходувки или компрессоры, или для производства электрической энергии.
В этой связи из DE 102006043139 A1 известна система рекуперации тепла для двигателя внутреннего сгорания. С помощью описанной системы автомобилю предоставляется в распоряжение дополнительная приводная энергия из отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания и/или выхлопной системы. После расширения парообразной рабочей среды в детандере рабочая среда вторичного теплового контура подается в конденсатор, в котором она сжижается с отдачей тепла, так что соответствующий паровой цикл заканчивается.
Кроме того, из еще не опубликованной в настоящее время заявки на патент 09009456.6 известен поршень поршневой расширительной машины, у которого наружный диаметр шейки поршня меньше, чем наружный диаметр головки поршня и/или юбки поршня, и одновременно длина шейки поршня почти соответствует ходу поршня в смонтированном состоянии. Посредством описанного технического решения можно с помощью относительно простых конструктивных средств добиться эффективного использования содержащейся в паре энергии и вместе с тем образующегося в двигателе внутреннего сгорания тепла потерь. Описанная конструкция поршня обеспечивает мягкий пуск поршневой расширительной машины и эффективное разделение масляного и парового контуров. Эффективное разделение масляного и парового контуров надежно препятствует взаимному загрязнению контуров при выходе из них соответствующей среды.
Известные из уровня техники паровые поршневые детандеры обычно эксплуатируются по двухтактному принципу. При этом в верхней мертвой точке свежий пар через впускной клапан вводится в цилиндр расширительного устройства и в следующем рабочем такте пар расширяется с отдачей тепла. Затем в нижней мертвой точке открывается выпускной клапан, и во время такта выталкивания за счет перемещения поршня от нижней к верхней мертвой точке расширенный пар выталкивается из цилиндра. При достижении верхней мертвой точки выпускной клапан закрывается, и соответствующий цикл начинается снова. В зависимости от параметров свежего пара, а также противодавления на выпускной стороне, характеристика сжатия должна быть рассчитана таким образом, чтобы рабочая среда в рабочем такте расширялась до надлежащего уровня.
При слишком низкой характеристике сжатия рабочая среда при открытии выпускного клапана обладает избыточным давлением по сравнению с противодавлением в выпускном канале, что из-за потенциальной возможности достижения большего расширения негативно сказывается на коэффициенте полезного действия цикла. Если характеристика сжатия, напротив, слишком велика, рабочая среда расширяется до давления, которое ниже противодавления в выпускном канале, что затрудняет выталкивание расширенного пара и, в свою очередь, негативно сказывается на коэффициенте полезного действия цикла.
Применение паровых поршневых детандеров с использованием отходящего тепла двигателей внутреннего сгорания требует сложной конструкции. Чтобы можно было выполнить все требования, касающиеся веса, стоимости, долговечности, а также необходимого обслуживания, как правило, применяются вертикальные клапаны. Вследствие этой меры в верхней мертвой точке возникает вредное пространство, которое сравнительно велико и поэтому приводит к ограниченным геометрическим характеристикам сжатия. Из-за этого часто возникает та проблема, что вредное пространство даже не может быть достаточно наполнено свежим паром.
Исходя из известного уровня техники и изложенной проблемы, в основу изобретения положена задача указать способ эксплуатации парового поршневого расширительного устройства, которое может работать со сравнительно высоким коэффициентом полезного действия. Указываемый способ должен, в частности, уменьшить необходимое для наполнения поршня количество свежего пара без значительного уменьшения при этом коэффициента полезного действия цикла.
Описанная выше задача решается с помощью способа по п.1. Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов и поясняются подробнее в последующем описании с частичной ссылкой на фигуры.
В соответствии с изобретением способ эксплуатации поршневого детандера, при котором свежий пар из подвода пара направляется через впускной клапан в полость цилиндра, введенный в полость цилиндра свежий пар в рабочем такте за счет перемещения поршня от верхней к нижней мертвой точке расширяется, и расширенный пар, по меньшей мере, частично из закрываемого выпускного отверстия направляется в отвод пара, был усовершенствован таким образом, что выпускное отверстие при достижении нижней мертвой точки или после него открывается и затем закрывается, прежде чем поршень в такте выталкивания достигает верхней мертвой точки. В этой связи существует принципиальная возможность открывать выпускное отверстие только на сравнительно короткий период времени, например в нижней мертвой точке, или в течение более длинного промежутка времени, прежде всего пока не будет достигнут угол поворота коленчатого вала, равный приблизительно 30° до верхней мертвой точки.
В принципе уменьшение количества свежего пара на цикл рабочего процесса возможно двумя способами. С одной стороны, можно открывать впускной клапан только на такое время и настолько широко, чтобы в цилиндре не достигалось давление свежего пара. В этом случае впускной клапан дросселирует свежий пар до меньшего давления, чем давление свежего пара. Это уменьшение давления приводит, впрочем, к решающему уменьшению коэффициента полезного действия. По этой причине предлагаемый изобретением способ использует вторую возможность уменьшения количества свежего пара на цикл. При этом выпускное отверстие открывается не во время всего такта выталкивания, то есть в течение времени, за которое поршень перемещается от нижней к верхней мертвой точке, а выпускное отверстие закрывается заметно раньше, чем поршень достигает верхней мертвой точки. Благодаря этой мере обеспечивается то, что значительное количество уже расширенного пара остается в цилиндре, а не отводится в отвод пара.
Этот остающийся в цилиндре остаточный пар предпочтительно сжимается в такте выталкивания при перемещении поршня к верхней мертвой точке. Это приводит к тому, что при открытии впускного клапана устанавливается давление, уже значительно повышенное по сравнению с давлением, устанавливающимся в цилиндре, в ином случае без сжатия остаточного пара. Из-за повышенного по сравнению с обычным противодавлением давления внутри цилиндра в цилиндр направляется также только сравнительно небольшое количество свежего пара. Невзирая на это, при впрыске свежего пара образующийся во вредном объеме цилиндра смешанный пар доводится до давления, которое соответствует давлению свежего пара. Давление свежего пара достигается при этом путем дальнейшего сжатия уже предварительно сжатого остаточного пара внутри вредного объема цилиндра, при этом состояние смешанного пара после впрыска свежего пара устанавливается в зависимости от состояний предварительно сжатого остаточного пара и свежего пара. Это давление смешанного пара может достигаться независимо от выбора подходящей характеристики сжатия.
Благодаря предлагаемому изобретением способу эксплуатации поршневого детандера предпочтительно достигается то, что коэффициент полезного действия детандера сравнительно высок, и одновременно достигается замедленное повышение давления внутри цилиндра. Замедленное повышение давления объясняется тем, что оно осуществляется в течение более длительного периода времени, так как сначала остаточный пар предварительно сжимается и только после этого сжимается путем впрыска свежего пара до уровня давления свежего пара.
Как уже излагалось, принципиально возможны два альтернативных варианта осуществления предлагаемого изобретением способа. В первом варианте осуществления выпускное отверстие закрывается, как только поршень оказывается в области между нижней и верхней мертвой точкой. Предпочтительно выпускное отверстие закрывается при угле поворота коленчатого вала, равном от 20 до 60° до верхней мертвой точки. Совсем особо подходящим является закрытие выпускного отверстия в области, где угол поворота коленчатого вала равен 45° до верхней мертвой точки.
Второй альтернативный вариант осуществления представляет собой как бы граничный случай предлагаемого изобретением способа. При этом варианте выпускное отверстие открывается или, соответственно, остается открытым только тогда, когда поршень находится в области нижней мертвой точки. При таком варианте осуществления предлагаемого изобретением способа также предпочтительно можно предусмотреть в области стенки цилиндра отверстия, в частности прорези, которые освобождаются при перекрытии их кромкой поршня во время такта расширения и снова закрываются при перекрытии их кромкой поршня во время такта выталкивания. Таким образом, выпускное отверстие освобождается для отвода, по меньшей мере, частично расширенного пара, как только поршень оказывается вблизи нижней мертвой точки. В одном из предпочтительных вариантов осуществления открытие осуществляется при угле поворота коленчатого вала в диапазоне от 20° до нижней мертвой точки до 20° после нее. Совсем особый усовершенствованный вариант осуществления изобретения предусматривает при ходе поршня, равном от 75 до 85 мм, в частности равном 80 мм, угол поворота коленчатого вала, равный 30° для открытия выпускного клапана. Когда поршень после открытия выпускных клапанов снова перемещается в направлении верхней мертвой точки, выпускное отверстие или, соответственно, отверстия снова закрываются. С помощью такого варианта осуществления можно осуществлять предлагаемый изобретением способ относительно простыми конструктивными средствами. В частности, обходятся без применения дополнительного выпускного клапана. Открытие выпускного клапана происходит при описанном выше варианте осуществления предлагаемого изобретением способа в нижней мертвой точке. Когда поршень перемещается из нижней мертвой точки в направлении верхней мертвой точки, выпускное отверстие снова закрывается, так что остающийся в цилиндре смешанный пар сжимается.
Впускной клапан предпочтительно открывается, как только поршень достигает верхней мертвой точки и остается открытым до угла поворота коленчатого вала, равного приблизительно 30° после верхней мертвой точки. Большое преимущество предлагаемого изобретением способа основано на том, что во вредном объеме смешиваются два пара, а именно свежий пар, а также предварительно сжатый остаточный пар, которые эксергетически являются сравнительно похожими.
При осуществлении предлагаемого изобретением способа также предпочтительно обеспечивается то, что в период времени между закрытием выпускного отверстия и последующим закрытием впускного клапана путем подачи свежего пара в полость цилиндра, в частности вредный объем полости цилиндра, образуется смешанный пар, давление которого, по меньшей мере, приблизительно соответствует давлению свежего пара. Сравнительно высокое давление смешанного пара. При этом внутри вредного объема цилиндра путем дальнейшего сжатия уже предварительно сжатого остаточного пара достигается давление свежего пара, при этом состояние смешанного пара после впрыска свежего пара устанавливается в зависимости от состояний предварительно сжатого остаточного пара и свежего пара. Таким образом, при смешивании свежего пара с предварительно сжатым остаточным паром образуется смешанный пар с повышенной по сравнению с обычными условиями энтальпией. Эта мера сравнительно простым способом повышает коэффициент полезного действия цикла.
Ниже изобретение поясняется более подробно с помощью фигур без ограничения общей идеи изобретения. Показано:
Фиг.1: кривая подъема клапана выпускного отверстия;
Фиг.2: характеристика давления в цилиндре, а также
Фиг.3: схематичное изображение 2-тактного поршневого детандера для осуществления предлагаемого изобретением способа.
На фиг.1 изображен ход клапана в выпускном отверстии цилиндра парового детандера. При этом приведены функциональные кривые a, b, c хода клапана в зависимости от угла поворота коленчатого вала для трех различных систем управления клапанами. Достижение нижней, а также верхней мертвой точки показано соответственно проходящей вертикально линией при угле поворота коленчатого вала, равном примерно 182° или, соответственно, 361°. Сплошная тонкая функциональная кривая a, а также пунктирная кривая b показывают соответственно ход выпускного клапана при известных стандартных способах. Изображенная в виде жирной линии третья функциональная кривая c показывает ход выпускного клапана при использовании предлагаемого изобретением способа для открытия и закрытия выпускного клапана.
Отчетливо видно, что при ходе выпускного клапана в соответствии с функциональными кривыми a, b выпускной клапан открывается в сравнительно широком диапазоне между нижней и верхней мертвой точкой поршня. По сравнению с предлагаемым изобретением открытием выпускного клапана, которое передается жирно начерченной функциональной кривой c, выпускной клапан при стандартных способах открывается не только дольше, но и шире. В противоположность известным способам выпускное отверстие при применении предлагаемого изобретением способа закрывается снова уже заметно раньше достижения верхней мертвой точки. Благодаря описанной мере находящийся в этот момент в цилиндре остаточный пар за счет поступательного перемещения поршня при закрытом выпускном клапане в направлении верхней мертвой точки не выталкивается, а сжимается.
Совсем особый вариант осуществления предлагаемого изобретением способа поясняется на фиг.1 функциональной кривой d. При этом техническом решении используется специальная конфигурация выпускного отверстия. При этом в стенке цилиндра предусмотрены прорези, которые обеспечивают соединение между внутренней полостью цилиндра и отводом пара, как только кромка поршня в такте расширения перекроет прорезь. В такте выталкивания, по меньшей мере, одна прорезь снова закрывается, как только кромка поршня за счет противоположного перемещения поршня снова перекроет прорезь. В изображенном случае, по меньшей мере, одна прорезь при угле поворота коленчатого вала, равном примерно 20° до достижения нижней мертвой точки, открывается, а при угле поворота коленчатого вала, равном примерно 20° после нижней мертвой точки, закрывается.
В дополнение к изображенной на фиг.1 характеристике хода выпускного клапана во время перемещения поршня на фиг.2 изображены характеристики давления для трех способов закрытия выпускного отверстия, показанных на фиг.1. Отчетливо видно, что при стандартных способах a, b происходит очень быстрое повышение давления незадолго до достижения верхней мертвой точки. По сравнению с этим повышение давления при преждевременном закрытии выпускного клапана, то есть заметно раньше того, как поршень достигает верхней мертвой точки, происходит очень плавно. Это объясняется тем, что при преждевременном закрытии выпускного клапана давление в цилиндре непрерывно повышается за счет сжатия остаточного пара, в то время как при применении стандартных способов a, b давление поднимается только совсем незадолго до достижения верхней мертвой точки, в частности, примерно при угле поворота коленчатого вала, равном 10° до достижения верхней мертвой точки.
В отношении управления с использованием прорезей, изображенного функциональной кривой d на фиг.1, следует указать, что давление внутри цилиндра в такте выталкивания повышается в зависимости от конфигурации прорезей, в частности их геометрической формы. По сравнению с клапанным управлением повышение давления в большинстве случаев будет происходить менее плавно, поэтому соответствующая кривая характеристики давления в этой области будет иметь несколько более крутую форму. Впрочем, в этой связи следует подчеркнуть, что для осуществления существенного для изобретения эффекта не существенно, будет ли выпускное отверстие освобождаться, соответственно, закрываться посредством, по меньшей мере, одного выпускного клапана или с помощью надлежащего управления с использованием прорезей.
На фиг.3 схематично изображена конструкция парового детандера, с помощью которого может осуществляться предлагаемый изобретением способ. Так как соответствующий паровой детандер обычно работает по двухтактному принципу, частота вращения коленчатого вала и кулачкового вала одинаковы, так что управление впускным и выпускным клапанами происходит посредством соответствующей предусмотренной на коленчатом валу щеки коленчатого вала. Такой вариант осуществления дает, прежде всего, то преимущество, что не требуется ни дополнительный кулачковый вал, ни соответствующий привод. Разумеется, существует принципиальная возможность, дополнительно к коленчатому валу также предусмотреть у работающего по двухтактному принципу парового поршневого детандера дополнительный кулачковый вал.
Как показывают приведенные выше варианты осуществления, изобретение касается способа надлежащего управления впускным, соответственно, выпускным клапанами поршневой машины для расширения пара. В этой связи на фиг.3 схематично изображены три технические возможности, с помощью которых может быть реализовано управление клапанами 4, 5. С помощью каждой из трех возможных систем управления клапанами может осуществляться предлагаемый изобретением способ, который касается в основном момента времени открытия, а также закрытия клапанов 4, 5. Изображенные на фиг.3 существенные для реализации предлагаемого изобретением способа конструктивные элементы парового поршневого детандера представляют собой коленчатый вал 1, кулачковый вал 2 с отформованными кулачками 3, впускной клапан 4, выпускной клапан 5, позиционный сенсор 6, а также исполнительное устройство 7. В зависимости от того, какой конструктивный вариант осуществления выбирается для парового двигателя, осуществляется управление клапанами через коленчатый вал 1 (фиг.3a), через кулачковый вал 2 (3b) или другое исполнительное устройство (7), которое может приводиться электрически, гидравлически или пневматически. При использовании другого исполнительного устройства 7, которое отличается, прежде всего, тем, что отсутствует механическое соединение между коленчатым валом 1 и впускным, соответственно, выпускным клапаном, предусмотрены также позиционный сенсор 6 на коленчатом валу, а также устройство 10 управления. С помощью позиционного сенсора 6 определяется текущее положение коленчатого вала 1, и соответствующее значение в качестве входной величины передается устройству управления. В устройстве 10 управления это значение обрабатывается, и генерируется выходная величина, на основании которой происходит управление впускным, соответственно, выпускным клапаном 4, 5 с помощью исполнительного устройства 7.
Общим для всех трех изображенных на фиг.3 механизмов управления клапанами является то, что свежий пар через подвод 8 пара нагнетается к впускному клапану 4. Открытие впускного клапана происходит либо с помощью щеки коленчатого вала (фиг.3a), кулачка 3 кулачкового вала 2 (фиг.3b), либо с помощью исполнительного устройства 7, как только поршень 9 оказывается в верхней мертвой точке. При достижении верхней мертвой точки внутри оставшегося объема цилиндра, так называемого вредного объема, находится сжатый остаточный пар, который после расширения был не выдут, а снова сжат. После открытия впускного клапана 4 свежий пар течет во вредный объем, при этом за счет втекания свежего пара происходит также сжатие находящегося во вредном объеме цилиндра предварительно сжатого остаточного пара. В итоге образующийся в цилиндре смешанный пар имеет давление, которое, по меньшей мере, почти соответствует давлению свежего пара в подводе 8 пара. При этом давление свежего пара достигается путем дальнейшего сжатия уже предварительно сжатого остаточного пара внутри вредного объема цилиндра, причем состояние смешанного пара после впрыска свежего пара устанавливается в зависимости от состояний предварительно сжатого пара и свежего пара.
При угле поворота коленчатого вала, равном примерно 30° после верхней мертвой точки, впускной клапан 4 снова закрывается. За счет находящегося в цилиндре смешанного пара поршень 9 в рабочем такте теперь перемещается в направлении нижней мертвой точки, так что пар расширяется. При достижении нижней мертвой точки открывается выпускное отверстие 5. При первой альтернативе оно выполнено в виде прорези 11 в стенке цилиндра, которая освобождается, как только поршень 9 оказывается в области нижней мертвой точки. Предпочтительно выпускная прорезь освобождается при ее перекрытии кромкой поршня при угле поворота коленчатого вала, равном примерно 20° до достижения нижней мертвой точки. После этого через освободившееся выпускное отверстие 5, соответственно, выпускную прорезь 11 улетучивается расширенный смешанный пар.
Когда только поршень 9 снова перемещается в направлении верхней мертвой точки, выпускное отверстие 5 закрывается. Поскольку выпускное отверстие снабжено не выпускным клапаном, а уже описанной прорезью, эта прорезь за счет перемещения поршня в такте выталкивания и обусловленного этим перекрытия кромкой поршня снова закрывается. При закрытии выпускного отверстия 5, соответственно, выпускной прорези 11 остаточный пар сжимается таким образом, что давление остаточного пара при достижении верхней мертвой точки только не намного меньше, чем давление свежего пара. Небольшая разность давлений остаточного и свежего пара дает, прежде всего, то преимущество, что при впрыске свежего пара во вредный объем цилиндра смешиваются друг с другом пары, которые эксергетически очень похожи. Кроме этого конструктивные элементы цилиндра, в частности впускной клапан, при сжатии остаточного пара и связанной с этим небольшой разнице между давлением остаточного пара и свежего пара испытывают сравнительно небольшую нагрузку. Кроме того, при описанном первом возможном варианте выполнения выпускного отверстия 5 не требуется никакого клапана дополнительно к впускному клапану 4.
По достижении верхней мертвой точки впускной клапан 4 снова открывается, и описанный цикл начинается снова.
Во второй альтернативе осуществления предлагаемого изобретением способа также в выпускном отверстии 5 предусмотрен клапан, управление которым осуществляется посредством щеки коленчатого вала 1, кулачка 3 кулачкового вала 2 или другого исполнительного устройства 7. При таком конструктивном выполнении выпускного отверстия выпускной клапан открывается, как только поршень достигает нижней мертвой точки, а при угле поворота коленчатого вала, равном примерно 45° до верхней мертвой точки, закрывается. После того как выпускной клапан 5 был закрыт, остающийся в цилиндре остаточный пар за счет перемещения поршня снова сжимается, так что при этом достигаются преимущества, уже упомянутые в связи с описанием первой альтернативы.
В заключение следует указать, что за счет предпочтительной эксплуатации паровой поршневой расширительной машины по двухтактному принципу происходит управление клапанами надлежащим образом с помощью коленчатого вала (фиг.3a). Преимуществом этих конструктивных выполнений является, прежде всего, то, что можно обойтись без применения дополнительного кулачкового вала.
Список ссылочных позиций
1 Коленчатый вал
2 Кулачковый вал
3 Кулачок
4 Впускной клапан
5 Выпускной клапан
6 Позиционный сенсор
7 Исполнительное устройство
8 Подвод пара
9 Поршень
10 Устройство управления
11 Выпускная прорезь