ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использовано на электрических станциях, промышленных предприятиях и в отопительных котельных. В частности, полезная модель касается конструкции энергетической установки для получения электрической энергии. Такая установка может рассматриваться в качестве автономного энергетического модуля, который можно устанавливать на отдельной площадке в местах, к которым затруднен централизованный подвод энергоносителя.
В настоящее время автономные источники энергии чаще всего строятся на использовании ДВС с присоединенным к нему генератором электрического тока, но такие установки не являются экономичными, так как ДВС в постоянном режиме работы расходует чрезвычайно большое количество светлых нефтепродуктов.
Известно устройство силовой установки, содержащей двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с валом потребителя мощности через соединительную муфту и утилизационную паротурбинную установку с контуром циркуляции рабочего тела, включающим паровую турбину, конденсатор, питательный насос, парогенератор, размещенный в магистрали выпуска высокотемпературных отработанных газов ДВС (SU №1677360).
Известно устройство когенерационной установки, предназначенной для одновременного получения электроэнергии и тепла, включающей в себя двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива, контур охлаждения двигателя, отопительный контур (система теплоснабжения с потребителями тепла), систему теплообменников, обеспечивающую передачу тепла охлаждающей жидкости двигателя и высокотемпературных отработанных газов в отопительный контур, и щит управления ("Строительное обозрение" // Журнал качества //, СПб., №5 (32), май-июнь 1999, стр.16-17). Данное решение приято в качестве прототипа.
Недостатком данных установок является то, что они расходуют много топлива за счет постоянной работы двигателя внутреннего сгорания в течение длительного времени.
Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по использованию газовых потоков заданного давления в качестве рабочего агента для поршневого двигателя, образованного на базе двигателя внутреннего сгорания.
Достигаемый при этом результат заключается в сокращении потребления топлива, так же повышении экологичности. Так же технический результат заключается в повышении экономичности приводной установки за счет использования энергии газов под давлением и приготовления рабочего тела в отдельной камере путем сжигания топливной смеси.
Указанный технический результат для первого варианта исполнения достигается тем, что в поршневом двигателе, представляющем собой многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания с газораспределительным механизмом, включающим в себя впускные и выпускные клапана, сообщенные соответственно с каналом подачи рабочего агента в камеры цилиндров и каналом выпуска отработавших продуктов из камер цилиндров, а так же источник рабочего агента, в качестве источника рабочего агента использован газ, помещенный в емкость под давлением, шатуны поршней цилиндров связаны с коленчатым валом со смещением один относительно другого на угол равный делению 360° на количество цилиндров, а в газораспределительном механизме впускной клапан для каждого поршня выполнен с возможностью впуска газа под давлением из емкости в момент нахождения поршня в верхней мертвой точке камеры цилиндра и при его движении в направлении к нижней мертвой точке, а выпускной клапан выполнен с возможностью выпуска газа из камеры цилиндра при обратном ходе этого поршня.
Указанный технический результат для второго варианта исполнения достигается тем, что в поршневом двигателе, представляющем собой четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания с
газораспределительным механизмом, включающим в себя впускные и выпускные клапана, сообщенные соответственно с каналом подачи рабочего агента в камеры цилиндров и каналом выпуска отработавших продуктов из камер цилиндров, а так же источник рабочего агента, отличающийся тем, что в качестве источника рабочего агента использован газ, помещенный в емкость под давлением, а в газораспределительном механизме впускной клапан для каждого поршня выполнен с возможностью впуска газа под давлением из емкости в момент нахождения поршня в верхней мертвой точке камеры цилиндра и при его движении в направлении к нижней мертвой точке, а выпускной клапан выполнен с возможностью выпуска газа из камеры цилиндра при обратном ходе поршня.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - блок-схема четырехцилиндрового поршневого двигателя, первый пример исполнения;
фиг.2 - блок-схема четырехцилиндрового поршневого двигателя, второй пример исполнения;
фиг.3 - вид А по фиг.2.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция поршневого двигателя, выполненного на базе двигателя внутреннего сгорания (фиг.1). Такие поршневые двигатели могут рассматриваться в качестве приводного агрегата для модульной энергетической установки, относящейся к категории повышенной экономичности при получении и преобразовании электрической, тепловой и других видов энергии в энергетических установках путем низкозатратного получения высокопотенциальной тепловой энергии за счет использования газа (горячего или холодного) под давлением,
помещенного в отдельную емкость, или подаваемого от автономной системы образования газа.
Настоящая полезная модель рассматривается на примере использования в качестве емкости с газом под давлением ресивера 1, который сообщен через управляемый клапан 2 и/или блок регулируемой подачи газа под давлением с устройством преобразования энергии газов под давлением в механическую энергию вращения вала, которое может представлять собой, например двигатель внутреннего сгорания, полости цилиндров которых сообщены через выпускные клапана 3 с магистралью (каналом) 4 отвода газов, а через впускные клапана 5 с каналом подачи газа (рабочего агента) в камеры цилиндров, сообщенным с указанным ресивером 1. В данном случае для подвода и отвода газов в цилиндры используется впускная и выпускная системы двигателя внутреннего сгорания, а газораспределительный механизм обеспечивает управление открытием и закрытием клапанов цилиндров.
Особенностью поршневой машины является то, что конструкция коленчатого вала и кривошипно-шатунной группы с поршнями в цилиндрах не претерпевает изменений.
Газораспределительный механизм изменен в части смены кулачковых валов управления коромыслами, создающими давления на клапана, на, например, соленоиды 6, работа которых может быть приведена в соответствие с алгоритмом закрытия/открытия клапанов в зависимости от углового положения коленчатого вала.
В газораспределительном механизме впускной клапан для каждого поршня выполнен с возможностью впуска газа под давлением из емкости в момент нахождения поршня в верхней мертвой точке камеры цилиндра и при его движении в направлении к нижней мертвой точке, а выпускной клапан выполнен с возможностью выпуска газа из камеры цилиндра при обратном ходе этого поршня.
Работает поршневой двигатель следующим образом.
Газ под давлением из ресивера подается посредством газораспределительного механизма в двигатель, открывается впускной клапан
первого цилиндра, газ под давлением поступает в полость цилиндра, и поршень перемещается вниз (режим рабочего хода). Перемещение поршня вниз приводит к преобразованию его поступательного движения во вращение коленчатого вала двигателя (посредством кривошипно-шатунного механизма). В момент перемещения поршня вниз в первом цилиндре, во втором цилиндре поршень перемещается вверх (выпускной клапан этого цилиндра открыт). В момент открытия выпускного клапана первого цилиндра открывается впускной клапан второго цилиндра, и газ под давлением из ресивера поступает в полость второго цилиндра. Поршень второго цилиндра перемещается в направлении к нижней мертвой точке. Отработанный газ из полости первого цилиндра поступает в отводную магистраль двигателя и утилизируются. Перемещение поршня второго цилиндра вниз так же приводит к вращению вала двигателя, который может быть связан с генератором электрического тока. Так как в поршневом двигателе, повторяющем конструкцию двигателя внутреннего сгорания, одновременно два цилиндра находятся в верхней мертвой точке, то в режиме рабочего хода под действием газа под давлением, толкающего поршни вниз, происходит образование требуемого крутящего момента на коленчатом валу двигателя. Частота вращения вала определяется конструкцией электрического генератора и характеристиками электрической сети. Регулирование количества газа через управляющий клапан 2 определяет заданный крутящий момент на валу поршневого двигателя и соответствующую мощность, развиваемую генератором. В случае использования в качестве нагрузки для двигателя генератора электрического тока, то возможно автоматизировать процесс управления подаче газа в двигатель в обратной зависимости от частоты вращения генератора.
Размеры пропускных каналов подачи газа в камеры и выпуска газа из камер на утилизацию подбираются таким образом, чтобы при обратном ходе поршня находящийся в камере цилиндра газ под давлением был бы выведен с минимально возможным остатком или без остатка за счет использования эжекторного принципа откачки газов.
Данный пример функционирования энергетической установки является одним из возможных алгоритмов работы установки, который описан в рамках данной заявки исключительно для понимания существа заявленной полезной модели.
Возможно использование многоцилиндрового двигателя, в котором шатуны поршней цилиндров связаны с коленчатым валом со смещением один относительно другого на угол равный делению 360° на количество цилиндров (фиг.2, 3). В этом случае обеспечивается плавность и непрерывность процесса формирования на коленчатом валу двигателя крутящего момента. В остальном, принцип работы такого двигателя совпадет с ранее отписанным принципом работы поршневого двигателя по фиг.1.
Так как при различных производствах или при осуществлении технологически емких процессов образуется газовый отход и порой он утилизируется при большом начальном давлении, то давление этого газа и сам газ могут рассматриваться как рабочий агент для поршневых двигателей согласно настоящей полезной модели.
Настоящая полезная модель промышленно применима, может быть реализована с использованием технологий, используемых при изготовлении двигателей внутреннего сгорания.