СПОСОБ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ВО ВНЕШНЮЮ КАМЕРУ СГОРАНИЯ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ЭНЕРГОМОДУЛЯ С ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ
CIRCULATION OF EXHAUST GASES INTO EXTERNAL COMBUSTION CHAMBER OF FREE-PISTON POWER MODULE WITH EXTERNAL COMBUSTION CHAMBER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайший прототип заявленного изобретения - «Свободнопоршневой двухцилиндровый с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором энергомодуль двойного назначения», патент 2468224.
Свободнопоршневой двухцилиндровый с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором энергомодуль двойного назначения (далее - энергомодуль) преобразует экзотермическую энергию моторного топлива в электроэнергию и/или энергию газообразного рабочего тела высокого давления и температуры. В его состав входят две расширительные машины, поршни которых соединены с якорями линейного электрогенератора, линейный электрогенератор (далее - генератор), общая внешняя камера сгорания и система управления энергомодулем. Действует он следующим образом.
Перед пуском энергомодуля (см. фигуру) в его камере сгорания 1. Перед пуском энергомодуля в его камере сгорания 1 всегда присутствует некоторое количество воздуха. Если поршневая группа (поршни 2, 3, шток 4 и якорь генератора 5) находится в правом, по фигуре, крайнем положении, система управления форсункой 6 подает в камеру сгорания 1 дозу топлива и воспламеняет его свечой зажигания 7. Топливо горит, в результате чего температура и давление продуктов сгорания увеличиваются. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 по трубопроводу 8 через открытый газораспределительный клапан 9 поступают в правую полость поршня 3. Под их воздействием поршневая группа начинает движения справа налево. Так как площадь правой поверхности поршня 3 больше площади его левой поверхности на величину разности поперечных сечений штоков с левой и правой стороны поршня 3, то давление сжимаемого в левой полости поршня 3 воздуха больше, чем давление продуктов сгорания в его правой полости. Поэтому сжимаемый в левой полости поршня 3 воздух через обратный клапан 10 по трубопроводу 11 подается в камеру сгорания 1, обеспечивая горение впрыскиваемого в нее форсункой 5 топлива. Одновременно в правую полость поршня 2 через обратный клапан 12 засасывается воздух из атмосферы, а из его левой полости через открытый клапан 13 воздух выбрасывается в атмосферу. По прибытию поршневой группы в левую крайнюю точку движения система управления закрывает газораспределительные клапаны 9 и 13 и открывает газораспределительные клапаны 14 и 15.
Под действием поступающих из внешней камеры сгорания 1 через открытый газораспределительный клапан 14 продуктов сгорания в левую полость поршня 2 поршневая группа начинает движение слева направо. Теперь сжимаемый в правой полости поршня 2 воздух через обратный клапан 16 по трубопроводу 11 поступает в камеру сгорания 1, поддерживая непрерывное горение топлива. Из правой полости поршня 3 отработавшие газы через открытый газораспределительный клапан 15 выбрасываются в атмосферу, а в его левую полость через обратный клапан 17 из атмосферы засасывается воздух. Если рабочий цикл будет протекать по сценарию пускового, преобразование энергии расширяющихся продуктов сгорания в кинетическую энергию поршневой группы будет малоэффективно в силу того, что давление продуктов сгорания в левой полости поршня 2 практически равно таковому в камере сгорания. Расширение продуктов сгорания при этом происходит только при выбросе их из цилиндра в конце пути поршневой группы, не производя никакой полезной работы - в рассматриваемый момент через газораспределительный клапан 13. Поэтому для повышения к.п.д. преобразования энергии организуется расширение продуктов сгорания непосредственно в цилиндре. По аналогии с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) цилиндр энергомодуля 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.
Поскольку процессы преобразования энергии в цилиндрах обоих расширительных машин аналогичны, для упрощения изложения эти процессы рассматриваются только применительно в левой расширительной машине. Рассматриваются два варианта сценария расширения продуктов сгорания.
Первый вариант. В начале такта, когда поршневая группа находится в левой крайней точке движения, система управления открывает впускной клапан 14 и продукты сгорания из камеры сгорания 1 поступают в виртуальную камеру сгорания цилиндра (левая полость поршня 2). Как только поршневая группа под их воздействием начинает движение, система управление закрывает клапан 14 и начинается собственно процесс расширения продуктов сгорания, то есть в обоих объемах цилиндра - в виртуальном объеме камеры сгорания и виртуальном рабочем объеме.
Второй вариант. Возможен случай, когда при расширении продуктов сгорания на определенном участке движения еще до достижения поршневой группой крайней точки движения сила сопротивления движению окажется равной сумме сил давления продуктов сгорания и силы инерции поршневой группы, что приведет к остановке поршневой группы. Поэтому система управления на основании скорости поршневой группы и ее массы определяет момент закрытия клапана 14 уже после начала ее движения с таким расчетом, чтобы расширение продуктов сгорания по ее прибытию в крайнюю точку движения оказалось наиболее эффективным.
При обоих вариантах сжимаемый в правой полости поршня 2 воздух продолжает поступать в камеру сгорания 1 до тех пор, пока давление и температура газов в ней не достигнет того уровня, который был до момента открытия клапана 14. Кроме того, система управления отслеживает текущие значения скорости и ускорения поршневой группы, давления продуктов сгорания в камере сгорания 1, давления продуктов сгорания в левой рабочей полости поршня 2 и давления, сжимаемого в его правой компрессорной полости воздуха. В соответствии с этими значениями система управления вырабатывает алгоритм определения момента времени открытия перепускного клапана 18, обеспечивающий максимальное расширение продуктов сгорания в рабочей полости поршня 2 к моменту времени прибытия поршневой группы в противоположную крайнюю точку движения, и подает команду на открытие перепускного клапана 18.
В результате сжатый в правой полости поршня 2 воздух перетекает в левую полость поршня 3. Противодействие воздуха движению поршневой группы резко уменьшается, способствуя процессу расширения продуктов сгорания в виртуальной камере сгорания и в виртуальном рабочем объеме цилиндра. К этому моменту в левую компрессорную полость поршня 3 уже поступило некоторое количество воздуха из атмосферы. Поступающий туда же через клапан 18 до определенной степени сжатый в правой полости поршня 2 воздух дополнительно заряжает левую компрессорную полость поршня 3, и засасывание воздуха из атмосферы через клапан 17 прекращается. При этом энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха на данной фазе такта, также вместе с воздухом перебрасывается туда же. Поступающий сжатый воздух, расширяясь, сообщает дополнительный импульс кинетической энергии поршневой группе. Энергия на преодоление динамического сопротивления воздуху в клапане 17 переносится на клапан 18. То есть моменты времени открытия и закрытия газораспределительного клапана 14 и перепускного клапана 18 система управления определяет таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность процесса расширения при движении поршневой группы в виртуальной камере сгорания и в виртуальном рабочем объеме цилиндра.
В правой части фигуры изображена вторая расширительная машина. В ней одновременно протекают те же процессы, что и в левой расширительной машине. Особенность состоит в том, что движение ее поршневой группы организуется в противофазе относительно поршневой группы левой расширительной машины. Оппозитное движение поршневых групп энергомодуля позволяет компенсировать реакцию от их движений исключить вибрацию корпуса энергомодуля и одновременно обеспечить действие генератора. Статорный магнит генератора 19 может представлять собой постоянный магнит (в данном варианте) или электромагнит, намагничиваемый устанавливаемой на нее катушкой подмагничивания (на фигуре не показана). Магнитный поток замыкается по контуру: статорный магнит 19, якорь 5, якорь 20 и снова статорный магнит 19. При схождении и расхождении поршневых групп расширительных машин магнитные силовые линии якорей 5 и 20 пересекаются, магнитный поток в контуре увеличивается или уменьшается, в результате чего в статорной катушке 21 поочередно генерируются импульсы электроэнергии одного и другого знака. Задвижка 22 служит для действия энергомодуля в режиме генератора газообразного рабочего тела для привода расширительных машин различного назначения - расширительных машин двигателей привода колес транспортных средств, отбойных молотков и др.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель изобретения - снижение токсичности отработавших газов энергомодуля (содержания оксидов азота NOx: NO и NO2) в режиме частичных нагрузок на энергомодуль.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известны системы рециркуляции выхлопных газов в двигателях внутреннего сгорания. Материал из Википедии - свободной энциклопедии.
Система рециркуляции выхлопных газов применяется на бензиновых, дизельных и газовых двигателях. Предназначается для снижения токсичности отработавших газов в режиме частичных нагрузок. Часть отработавших условно инертных газов попадает в цилиндры как балласт, что вызывает снижение максимальной температуры горения и, как следствие, уменьшение выбросов оксидов азота, образующихся при высоких температурах и являющихся одними из самых токсичных веществ. Простейшая механическая система представляет собой клапан, соединяющий впускной и выпускной коллекторы, который открывается под действием разрежения во впускном коллекторе.
В энергомодуле тот же эффект достигается оснащением его дополнительным перепускным клапаном выхлопных газов 23. Для рециркуляции выхлопных газов во внешнюю камеру сгорания система управления энергомодулем определяет интервал времени открытого положения перепускного клапана выхлопных газов в соответствии с задаваемой нагрузкой на энергомодуль. При движении поршневой группы энергомодуля система управления переводит перепускной клапан в открытое положение на интервал времени в соответствии с задаваемой нагрузкой на энергомодуль. Часть выхлопных газов из выхлопного коллектора перетекают во впускной коллектор и оттуда в компрессорную полость поршня, а затем вместе с сжимаемым воздухом во внешнюю камеру сгорания.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ рециркуляции выхлопных газов во внешнюю камеру сгорания свободнопоршневого энергомодуля с внешней камерой сгорания, включающего внешнюю камеру сгорания, одну или две расширительные машины, поршни которых соединены с якорями линейного электрогенератора, линейный электрогенератор, перепускной клапан выхлопных газов расширительной машины и систему управления энергомодулем, отличающийся тем, что для рециркуляции выхлопных газов во внешнюю камеру сгорания энергомодуля система управления энергомодулем определяет в соответствии с задаваемой нагрузкой на энергомодуль интервал времени открытого положения перепускного клапана выхлопных газов расширительной машины, переводит перепускной клапан выхлопных газов расширительной машины газов в открытое положение и выдерживает перепускной клапан выхлопных газов расширительной машины в открытом положении в соответствии с определенным интервалом времени открытого положения перепускного клапана выхлопных газов расширительной машины в открытом положении, в результате чего часть выхлопных газов из выхлопного коллектора перетекает во впускной коллектор, засасывается через впускной коллектор в компрессорную полость поршня расширительной машины и при сжатии воздуха в компрессорной полости поршня расширительной машины вместе со сжимаемым воздухом подается во внешнюю камеру сгорания энергомодуля.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Затраты на НИОКР и производство заявленного изобретения не могут значительно отличаться от таковых при проектировании и отработке классических двигателей. Требования к материалам и технологиям не выходят за рамки современных возможностей.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
Фигура. Принципиальная схема свободнопоршневого с внешней камерой сгорания энергомодуля двойного назначения.
1 - камера сгорания; 2, 3 - поршень; 4 - шток; 5, 20 - якорь; 6 - форсунка; 7 - свеча зажигания; 8, 11 - канал; 9, 13, 14, 15 - газораспределительный клапан; 10, 12, 16, 17 - обратный клапан; 18 - перепускной клапан; 19 - статорный магнит; 21 - статорная катушка; 22 - задвижка; 23 - перепускной клапан выхлопных газов.