ГАЗОПОРШНЕВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области энергетики, в частности, к силовым установкам на базе двигателей внутреннего сгорания и может быть использована в качестве источника электроэнергии в электроагрегатах, работающих на различных видах газового топлива.
Известна газопоршневая электростанция, содержащая генератор, газовый двигатель, выполненный в виде имеющего внешнюю систему смесеобразования двигателя внутреннего сгорания, с блоком цилиндров, кривошипно-шатунным механизмом, всасывающим и выхлопным коллекторами, включающий систему зажигания, содержащую источник питания, свечи, подключенные к катушкам зажигания высоковольтными проводами, датчик начала отсчета процесса искрообразования, датчика угловых импульсов, и систему топливоподачи, содержащую газовую магистраль с газовым электромагнитным клапаном, соединенную с всасывающим коллектором, газовый редуктор и соединенный с воздухоочистителем смеситель газа, содержащий диффузор, связанный с газовым редуктором, и дроссельную заслонку, соединенную с актуатором, подключенным к электронному блоку управления актуатора, при этом двигатель внутреннего сгорания включает программируемый двухдатчиковый микропроцессорный контроллер зажигания газового двигателя, связанный с электромагнитным газовым клапаном топливной системы, система топливоподачи включает в качестве газового редуктора газовый редуктор с входящим рабочим давлением выше среднего, газовый электромагнитный клапан в системе топливоподачи размещен на входе в газовую магистраль двигателя, система зажигания дополнительно включает преобразователь напряжения для питания системы зажигания, контролирующий подачу напряжения 12 вольт на катушки зажигания, триггердиск, соединенный с программируемым двухдатчиковым микропроцессорным контроллером зажигания газового двигателя и выполненный в виде жестко закрепленной на валу привода топливного насоса втулки с радиально расположенным выступом в определенном положении коленчатого вала, диффузор смесителя выполнен в виде круглой в плане детали в форме сопла с отверстиями, расположенными по диаметру детали у кромки выхода, конфигурация внутренней поверхности которой выполнена по лемнискате с заданным углом наклона, снабжена массообменным сепаратором, установленным между двигателем и газовой магистралью, вход которого соединен с газовой магистралью, а выход с газовым редуктором с входящим рабочим давлением выше среднего. Дроссельная заслонка, соединенная с всасывающим коллектором и управляемая актуатором, подключенным к электронному блоку управления, установлена в корпусе из нержавеющий стали. Программируемый двухдатчиковый микропроцессорный контроллер зажигания газового двигателя снабжен программным обеспечением, которое сконфигурировано с возможностью тестовой проверки системы зажигания и пошаговой регулировки угла опережения зажигания. Газопоршневая электростанция снабжена электронной микропроцессорной системой управления на базе процессора СоmАР, выполненного на базе контроллеров InteliGentNT (Патент на полезную модель №93888, МПК F02B 63/04, опубл. 2010).
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является газопоршневая энергетическая установка, содержащая генератор и газовый двигатель, выполненный в виде двигателя внутреннего сгорания, имеющего блок цилиндров с всасывающим и выхлопным коллекторами, систему зажигания, систему топливоподачи с подающим газопроводом, соединенную с всасывающим коллектором, и датчики, подключенные к электронному блоку управления. При этом система зажигания включает регулятор импульсов зажигания, в системе топливоподачи подающий газопровод выполнен с газовым электромагнитным клапаном. В выхлопном коллекторе установлены датчики контроля концентрации кислорода воздуха и контроля концентрации газового топлива, которые подключены к электронному блоку управления, связанному с регулятором импульсов зажигания и с газовым электромагнитным клапаном (Патент на полезную модель №58183, МПК F02B 63/04, опубл. 2006).
Недостатком описанных устройств является низкая надежность работы, обусловленная неравномерной работой двигателя, приводящей к повышению теплонапряженности и возникновению локального перегрева двигателя, из-за неравномерности состава топливо-воздушной смеси, при наличии низкого к.п.д. и высокой токсичности отработавших газов двигателя внутреннего сгорания вследствие отсутствия конструктивных возможностей осуществления контроля за составом топливо-воздушной смеси, содержанием окислов азота, протеканием рабочего процесса в цилиндрах и невозможности управления работой двигателя в зависимости от моторных свойств топлива.
Предлагаемая полезная модель решает задачу повышения надежности работы газопоршневой энергетической установки при сохранении высокого к.п.д. и снижении токсичности отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.
Для достижения указанного технического результата в газопоршневой энергетической установке, содержащей генератор и газовый двигатель, выполненный в виде двигателя внутреннего сгорания, имеющего блок цилиндров с всасывающим и выхлопным коллекторами, систему зажигания, систему топливоподачи с подающим газопроводом, соединенную с всасывающим коллектором, и датчики, связанные с электронным блоком управления, система зажигания выполнена из высоковольтных модулей зажигания, размещенных в цилиндрах и подключенных к электронному блоку управления, на входе всасывающего коллектора последовательно по направлению движения воздуха установлены дроссельная заслонка и датчик расхода воздуха, подключенные к электронному блоку управления, на подающем газопроводе системы топливоподачи, размещенным над всасывающим коллектором, последовательно по направлению подачи топлива установлены газовый редуктор и соединенные с всасывающим коллектором и расположенные напротив цилиндров газовые форсунки, которые подключены к электронному блоку управления, в выхлопном коллекторе напротив цилиндров расположены датчики температуры отработавших газов, подключенные к электронному блоку управления, при этом на выходе из выхлопного коллектора установлен датчик концентрации окислов азота, на двигателе внутреннего сгорания размещены датчики частоты вращения коленчатого вала и положения распределительного вала двигателя и на блоке цилиндров двигателя установлен датчик детонации, причем датчик концентрации окислов азота, датчики частоты вращения коленчатого вала и положения распределительного вала двигателя и датчик детонации подключены к электронному блоку управления.
Повышение надежности работы газопоршневой энергетической установки, обусловленное равномерной работой двигателя, приводящей к снижению тепло-напряженности, вследствие обеспечения равномерности состава топливо-воздушной смеси в каждом цилиндре и возможности поддержания оптимального состава в зависимости от режима работы, при сохранении высокого к.п.д. двигателя внутреннего сгорания за счет осуществления контроля над протеканием рабочего процесса в каждом цилиндре и оперативного управления параметрами топливоподачи и зажигания, а также возможности отключения отдельных цилиндров двигателя при снижении нагрузки, адаптации двигателя к конкретным моторным свойствам используемого газового топлива, и снижении токсичности отработавших газов за счет контроля концентрации окислов азота достигается тем, что система зажигания выполнена из высоковольтных модулей зажигания, размещенных в цилиндрах и подключенных к электронному блоку управления, на входе всасывающего коллектора последовательно по направлению движения воздуха установлены дроссельная заслонка и датчик расхода воздуха, подключенные к электронному блоку управления, на подающем газопроводе системы топливоподачи, размещенным над всасывающим коллектором, последовательно по направлению подачи топлива установлены газовый редуктор и соединенные с всасывающим коллектором и расположенные напротив цилиндров газовые форсунки, которые подключены к электронному блоку управления, в выхлопном коллекторе напротив цилиндров расположены датчики температуры отработавших газов, подключенные к электронному блоку управления, при этом на выходе из выхлопного коллектора установлен датчик концентрации окислов азота, на двигателе внутреннего сгорания размещены датчики частоты вращения коленчатого вала и положения распределительного вала двигателя и на блоке цилиндров двигателя установлен датчик детонации, причем датчик концентрации окислов азота, датчики частоты вращения коленчатого вала и положения распределительного вала двигателя и датчик детонации подключены к электронному блоку управления.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена газопоршневая энергетическая установка, общий вид.
Газопоршневая энергетическая установка содержит генератор 1 и газовый двигатель, выполненный в виде двигателя внутреннего сгорания, имеющего блок цилиндров 2 с всасывающим 3 и выхлопным 4 коллекторами. Система зажигания выполнена из высоковольтных модулей зажигания 5, размещенных в цилиндрах 2, предназначенных для воспламенения топливо-воздушной смеси, и подключенных к электронному блоку управления 6. Система топливоподачи выполнена с подающим газопроводом 7. На входе всасывающего 3 коллектора последовательно по направлению движения воздуха установлены дроссельная заслонка 8 и датчик расхода воздуха 9, подключенные к электронному блоку управления 6. На подающем газопроводе 7 системы топливоподачи, размещенным над всасывающим 3 коллектором, последовательно по направлению подачи топлива установлены газовый редуктор 10 и соединенные с всасывающим 3 коллектором и расположенные напротив цилиндров 2 газовые форсунки 11, которые подключены к электронному блоку управления 6. Газ поступает в подающий газопровод 7, например, со стороны противоположной входу воздуха во всасывающий 3 коллектор. Причем газовые форсунки 11 соединены с всасывающим 3 коллектором таким образом, что, проходя через корпус всасывающего 3 коллектора, нижней частью ориентированы в сторону расположенных напротив цилиндров 2. В выхлопном 4 коллекторе напротив цилиндров 2 расположены датчики температуры отработавших газов 12, подключенные к электронному блоку управления 6. Контроль температуры отработавших газов позволяет определить повышение теплонапряженности цилиндров 2. Расположение каждого датчика температуры отработавших газов 12 напротив каждого из цилиндров 2 приводит к точному выявлению неисправного цилиндра 2. При этом на выходе из выхлопного 4 коллектора установлен датчик концентрации окислов азота 13. На корпусе двигателя внутреннего сгорания размещены датчики частоты вращения коленчатого вала 14 и положения распределительного вала 15 двигателя и на блоке цилиндров 2 двигателя установлен датчик детонации 16. Причем датчик концентрации окислов азота 13, датчики частоты вращения коленчатого вала 14 и положения распределительного вала 15 двигателя и датчик детонации 16 подключены к электронному блоку управления 6. При этом все подключения к последнему могут быть выполнены, например, посредством электрических проводов 17.
Газопоршневая энергетическая установка работает следующим образом.
Для выработки электрической энергии генератор 1 приводят во вращение газовым двигателем, выполненным в виде двигателя внутреннего сгорания, при работе которого по подающему газопроводу 7 системы топливоподачи газовое топливо, в качестве которого может быть использован один видов газа: природный, нефтяной или биогаз, проходит через газовый редуктор 10, поступает к газовым форсункам 11, а затем во всасывающий 3 коллектор, в который одновременно поступает воздух после прохождения через дроссельную заслонку 8 и датчик расхода воздуха 9, последним вырабатывается сигнал в зависимости от параметров воздуха, поступающий на электронный блок управления 6, с которого подается сигнал на дроссельную заслонку 8 в зависимости от рабочего режима двигателя. Возможность работы с различными видами газового топлива обеспечивается соответствующей настройкой электронного блока управления 6. Для подачи топливо-воздушной смеси в цилиндры 2 двигателя при открытии распределительным валом впускных клапанов цилиндров 2 в соответствии с показаниями датчика положения распределительного вала 15 двигателя электронный блок управления 6 направляет электрический сигнал на газовые форсунки 11. После закрытия впускных клапанов цилиндров 2 электронный блок управления 6 подает электрический сигнал на высоковольтные модули зажигания 5 для воспламенения топливо-воздушной смеси в цилиндрах 2. Сигнал, поступающий на высоковольтные модули зажигания 5 с электронного блока управления 6, позволяет обеспечивать оптимальный угол опережения зажигания топливо-воздушной смеси в цилиндрах 2 для сохранения максимальной мощности в пределах допустимой теплонапряженности. Контроль рабочего режима двигателя внутреннего сгорания осуществляется посредством датчиков детонации 16 и частоты вращения коленчатого вала 14. При превышении концентрации окислов азота выше допустимых значений сигнал с датчика концентрации окислов азота 13 поступает на электронный блок управления 6, который направляет сигналы на газовые форсунки 11, уменьшая подачу газа в цилиндры 2, и на высоковольтные модули зажигания 5, изменяя момент воспламенения топливо-воздушной смеси. При снижении нагрузки на двигатель для сохранения максимального значения к.п.д. предусмотрена возможность отключения некоторых цилиндров 2 за счет прекращения подачи газа в отдельные форсунки 11. Это позволяет повысить экономичность двигателя на частичных режимах и снизить теплонапряженность.
Данные от датчиков расхода воздуха, температуры отработавших газов, датчика окислов азота, детонации, частоты вращения коленчатого вала, положения распределительного вала посылаются на электронный блок управления, что позволяет посредством управления газовыми форсунками и высоковольтными модулями зажигания выбирать и поддерживать оптимальный режим работы двигателя, топливоподачу по отдельным цилиндрам, контролировать протекание рабочего процесса в каждом цилиндре и контролировать теплонапряженность деталей двигателя посредством сбора данных от датчиков температуры отработавших газов.
Таким образом, использование предлагаемой полезной модели позволяет повысить надежность работы газопоршневой энергетической установки при сохранении высокого к.п.д. и снижении токсичности отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.