СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА РАСШИРЕНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ В ЦИЛИНДРЕ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПИТАНИЕМ РАБОЧИМ ТЕЛОМ ОТ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ГЕНЕРАТОРА ГАЗОВ С ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ
OPTIMISING COMBUSTION PRODUCT EXPANSION IN PISTON ENGINE CYLINDER WITH WORKING MEDIUM FEED FROM FREE-PISTON GAS GENERATOR WITH EXTERNAL COMBUSTION CHAMBER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к энергомашиностроению.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайшие аналоги заявленного изобретения - патенты RU 2324060 С1 «Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя с двумя поршнями привода компрессора» и RU 2324830 С1 «Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя с одним поршнем привода компрессора».
Принцип действия обоих генераторов газов во многом схож. Поэтому достаточно рассмотреть принцип действия одного из них, а именно «Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя с двумя поршнями привода компрессора».
При пуске генератора газов с внешней камерой сгорания (далее - генератор газов) в камеру сгорания 1 (см. фигуру) форсункой 2 подается топливо и воспламеняется свечой зажигания 3. Продукты сгорания через газораспределительный клапан (далее - клапан, патент RU № 2349765 С1, «Пневматический привод клапана однотактного свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания») 4 поступают в левую полость поршня привода компрессора 5, в результате чего поршень 5 и соединенный с ним штоком 6 поршень компрессора 7 движутся (по фигуре) слева направо. Так как площадь левой (по фигуре) поверхности поршня 5 больше площади его противоположной поверхности на величину площади поперечного сечения штока 6, то давление воздуха в полости справа от поршня 5 (полость компрессора) больше, чем давление продуктов сгорания слева от поршня 5. Поэтому воздух из правой полости поршня 5 (полости компрессора, клапан 8 закрыт) через клапан 9 поступает в камеру сгорания 1, тем самым обеспечивая воздухом процесс горения топлива. Одновременно при движении поршня 7 воздух (при следующих рабочих циклах продукты сгорания) из его правой полости через клапан 10 (клапан 11 закрыт) выбрасывается в атмосферу, а через открытый клапан 12 воздух из атмосферы засасывается в левую полость поршня 7. При достижении поршнями 5 и 7 крайнего правого положения система управления (на фигуре не показана) переводит клапаны 4 и 10 в противоположные положения. Теперь продукты сгорания из камеры сгорания поступают в правую полость поршня 7, и поршни 5 и 7 движутся справа налево. Воздух из левой полости поршня 7 открывает клапан 11 и поступает в камеру сгорания 1. Клапан 9 закрывается и воздух из атмосферы через открывшийся клапан 8 засасывается в правую полость поршня 5. Как только давление продуктов сгорания в камере сгорания достигнет рабочего значения, открывается заслонка 13 и продукты сгорания поступают на расширительную машину.
Из описания принципа действия генератора газов видно, что продукты сгорания из камеры сгорания поступают в его цилиндры на всем протяжении движения поршней от одной крайней точки до другой, при этом температура и давление поступающих в цилиндры продуктов сгорания практически не отличается от давления их в камере сгорания. Основное расширение продуктов сгорания происходит в выпускном клапане при их выпуске в промежуток времени от открытия до закрытия выпускных клапанов 4 или 10. При этом их энергия не совершает никакой полезной работы. Для эффективного преобразования энергии расширяющихся продуктов сгорания необходимо организовать их расширение непосредственно в цилиндре расширительной машины генератора газов - заявка №2010119000 «Оптимизация процесса расширения продуктов сгорания свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания», дата поступления 11.05.2010, входящий №026958. По аналогии с ДВС цилиндр генератора газов можно условно разделить на два объема. Первый, меньший, соответствует камере сгорания ДВС - виртуальная камера сгорания. В зависимости от направления движения поршневой группы она попеременно находится то с одной, то с другой головки цилиндра. Остальной объем цилиндра, по сути дела, как и в ДВС, виртуальный рабочий объем. В начале рабочего такта, когда поршневая группа находится в исходной крайней точке движения (например, на фигуре, слева), система управления открывает впускной клапан 4 и продукты сгорания из камеры сгорания поступают в виртуальную камеру сгорания цилиндра, температура и давление которых практически равна таковым в камере сгорания 1. Поршни начинают движение слева направо и, когда они пройдут виртуальную камеру сгорания, система управления закрывает впускной клапан 4, прекращая доступ продуктов сгорания в цилиндр. С этого момента начинается собственно процесс расширения продуктов сгорания. Моменты открытия и закрытия газораспределительного клапана - длительность впуска продуктов сгорания в цилиндр - система управления определяет с учетом температуры и давления продуктов сгорания таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность процесса их расширения в виртуальном рабочем объеме цилиндра. Таким образом, рабочий такт с термодинамической точки зрения аналогичен таковому в дизельном двигателе. Отличие состоит в том, что длина хода поршневой группы в цилиндре не зависит от конструкции кривошипно-шатунного механизма, которого в энергомодуле попросту нет, и определяется системой управления исходя из требования обеспечения условий оптимального расширения продуктов сгорания и бесшумности в соответствии с физико-химическими характеристиками используемого в данный момент топлива.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель изобретения состоит в оптимизации процесса расширения продуктов сгорания в цилиндрах расширительной машины двигателя с цилиндрическими или роторными поршнями, преобразующего экзотермическую энергию моторного топлива в механическую энергию вращения вала отбора мощности. Оптимизация процесса расширения продуктов сгорания в цилиндре осуществляется системой управления с помощью впускного клапана с электропневматическим приводом, уже упоминался патент RU №2349765 С1, «Пневматический привод клапана однотактного свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания». Система управления отслеживает положение поршня в цилиндре расширительной машины и при положении поршня в начальной крайней точке движения при рабочем такте открывает впускной клапан. После того как поршень пройдет часть общего пути поршня в цилиндре, система управления закрывает впускной клапан в момент, обеспечивающий эффективный процесс расширения продуктов сгорания при дальнейшем движении поршня в крайнюю точку движения. Таким образом, процесс расширения продуктов сгорания аналогичен таковому в дизельном двигателе.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания в цилиндре поршневого двигателя с питанием от свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания, включающего свободнопоршневой генератор газов с внешней камерой сгорания, поршневую расширительную машину с впускным и выпускным клапанами с электропневматическим приводом и систему управления, отличается тем, что оптимизация процесса расширения продуктов сгорания в цилиндре осуществляется системой управления впускным клапаном, для чего система управления отслеживает положение поршня в цилиндре расширительной машины и при положении поршня в начальной крайней точке движения при рабочем такте открывает впускной клапан и, после того как поршень пройдет часть общего пути поршня, закрывает впускной клапан при дальнейшем движении поршня в крайнюю точку движения.
ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Реализация способа оптимизации процесса расширения продуктов сгорания свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания не требует разработки сколько-нибудь новых технологий и по силам любому моторостроительному производству.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
Фигура. Принципиальная схема свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания.
1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4, 10 - газораспределительные клапаны, 5, 7 - поршни, 6 - шток, 8, 9, 11, 12 - обратные клапаны, 13 - заслонка.