Свободнопоршневой генератор газа

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК А 08001 114 Г 02 тво СССРО, 198. ЕВОЙ ГЕНЕРА тся к свободноаза и позволяет его цилиндра геействия с одной организации разс агруз икнут зОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относипоршневым генераторам гулучшить продувку рабочнератора двустороннего дпоршневой группой за счет Изобретение относится к свободнопоршневым двигателям двустороннего действия и может быть использовано как генератор газа.Целью изобретения является улучшение продувки свободнопоршневого генератора газа (СПГГ) путем реализации разделенного выхлопа на больших нагрузках за счет принудительного открытия дополнительных выхлопных окон.На фиг. 1 изображена общая схема СПГГ; на фиг. 2 - золотниковый выпускной клапан, закрывающий дополнительное выпускное окно, и механизм привода этого клапана; на фиг. 3 - золотниковый механизм, закрывающий дополнительное выпускное окно, в связи с диаграммами движения цилиндра, дополнительных выпускных окон и клапана в функции перемещения поршня; на фиг. 4 - индикаторная диаграмма СПГГ в координатах Р (давление) и Г (объем полости цилиндра и фазы газораспределения).СПГГ двустороннего действия состоит из цилиндра 1 и поршня 2. Цилиндримеет торцовые стенки - головкии 4 с впускныделенного выхлопа на больших нагрузках. В дополнение к штатным продувочным и выхлопным органам газораспределения в рабочем цилиндре выполнены дополнительные выпускные отверстия, открываемые подвижными золотниками, имеющими привод через кривошипно-шатунный механизм, связанный с рабочим цилиндром. Эффект разделенного выхлопа возникает при взаимном возвратно- поступательном перемещении рабочего цилиндра генератора, закрепленного на неподвижном основании, и подвижных золотников при достаточно больших амплитудах колебаний. 1 з. п. ф-ль 1, 4 ил. ми окнами 5 и 6 и выпускные окна . В цилиндре 1 расположен поршень 2, имеюгций выступы 8 и 9. Поршень разделяет цилиндр на верхнюю (фиг. 2) 10 и нижнюю (фиг. 2) 11 полости.щиРазмеры поперечного сечения выступов 8, 9 соответствуют размерам окон 5, 6. Для ар уплотнения зазоров в окнах 5, 6 на выступах 8, 9 могут быть установлены уплотнения.Окна 5, 6 закрыты выпускными коллекто рами (не показаны), являющимися одновре- , менно и кожухами, предохраняющими от контакта с выступами поршня.Цилиндр устанавливается на основании подвижно и удерживается слабыми пружинами, усилие предварительной затяжки которых равно силе случайных воздействий, а при вертикальной компоновке СПГГ -- ) сумме веса и этих сил. Жесткость пружины может быть минимальной, а ход деформации должен превышать амплитуду колебанийцилиндра.П жестких пружинах увеличиваю 1 на фундамент и даже могут в биения цилиндра, оказывающиеца стабильности рабочих циклов. Если выполнять пружины слабыми, чтобы цилиндр почти свободно совершал колебания, последний ввиду высокой цикличности мало удаляется от начального положения (ца 5 -- 35 мм) и передает на фундамент очень малые нагрузки, равные усилию слабых пружин при указанных деформациях.Если по койструктивным соображениям возможно перемещение цилиндра на длину Л а максимальная амплитуда колебаний цилиндра равна А минимальная жесткость пружины определяется из соотношений; 10 Л=А+ Я;20 35 50 55 где ЛР. и М,: - соответственно сила случайных воздействий и перемещение под действием этой силы;С - жесткость пружины.Если используется пружина с предварительной затяжкой, то величина предварительной затяжки выбирается такой, чтобы уравновесить случайные воздействия, и также определяется из соотношений (1) и (2).При вертикальной компоновке вес прибавляется к силе случайных воздействий.С позиций цадежности лучшим является вариант выполнения СПГГ, при котором окна 5, 6 являотся впускными, т. е. соединены с впускным коллектором, а окна 7 являются выпускгЫми. В этом варианте длина выступов превышает рабочий ход поршня. Рациональна длина выступов, равная сумме геометрического хола поршня и длины образуюсцей окна в оловке. Выступы порцня выполнены полыми, толцица уменьшается по мере удаления от поршня. Последнее связано с тем, что обусловленные силой инерции нагрузки убывают в направлении от поршня к концу выступов, В стенках полых частей выступов имеются прорези 12.В поршне для его охлаждения поступающим воздухом могут выполняться каналы, выходящие в полую часть выступов. В каналах могут быть расположены самодействующие клапаны. Рационально также масляное охлаждение поршня выполнением герметичных частично заполненных маслом полостей, связывающих поршень и выступы. Эти полости могут быть превращены в тепловые трубы, что позволит еще лучше охлаждать поршень.Кроме этого варианта, в котором окна 5, 6 являются впускными, а окна 7 - выпускными, возможен вариант, в котором окна 5, б являются выпускными - выпуск производится через прорези и внутреннюю часть полых выступов, а окна 7 являются впуск- ными.Использование выступов как органов впуска целесообразнее, чем их использование как органов выпуска, с точки зрения наде 5 кности, термостойкости и прочности. Действительно, при выступах - элементах органов впускапрорезанная часть выступов начинается ближе к их концу. Это позволяет увеличить внутренний диаметр, следовательно, умецьшить вес. Кроме того, уменьшение веса обуславливается снижением тепловой напряженности, Минимальная длина цилиндра в этом варианте меньше.Ввиду высокой частоты циклов, обуславливающей малое время газообмена, наилучшим вариантом СПГГ является двигатель, снабженный дополнительными выпускными окнами (фиг. 1 - 3) 13 и 14, закрытыми дополнительными клапанами - блоками 15 и 16. Клапаны дополнительных блоков могут быть различий конструкции (например, самодействующие клапаны и др.). Конструкция, обеспечивающая надежность и оптимальность фазь 1 газораспределения, приведена на фиг. 2, 3. В этом варианте выполнения блока-выпуска клапаны 17 приводятся в движение кривошипно-шатунцым механизмом, кривошип 18 которого связан шатуном 19 с цилиндром 1. Кривошип 20 этого механизма смещец по углу относительно крнвошипа 2 и связан отдсльцым шатуном 18 с клапаном 17.Радиус кривонипа 21 выбран исходя из амплитуды перемещения цилиндра на полной нагрузке, а радиус кривошипа 20 - исходя из необходимой амплитуды перемесцения клапана 1 (при аксиальных механизмах указанные радиусы равны соответствующим амплитудам). Общая ось 22 вращения крцвошипов 21 и 20 связана с неподвижным основанием. Эта связь может быть жесткой или допускающей некоторую подвижность (закрепление жесткой пружиной). Некоторую приспособляемость механизму может придать выполнение шатунов изменяемой (в небольших пределах) длины. Центр вращения кривошцпов относительно окна 13 специально расположен со стороны центра цилиндра. Это обусловлено тем, что в момент начала открытия направления движения цилинлра и клапана противоположньк Поэтому окно 3 открывается оыстро, что уменьшает Лросселирование газа высокой энергии. Противоположное расположение указанного цецтра приводит к совпалению направления скоростей клапана и цилиндра в моменты начала выпуска, что снижает скОрость Открытия выпускного окна. Допол. нительные выпускные клапаны противопо ложных полостей цилиндра при рациональной организации перемегцеция этих клапанов движутся по близким траекториям. Поэтому дополнительные выпускные клапань обеих полостей могут приводиться в движение от одного механизма. Для осуществления топливоподачи и сгорания топлива цилиндр СПГГ снабжсн форсунками 23 или свечами и соответствуОщей топливной аппаратурой. Выпуск продуктов сгорания может производиться в две турбины, связанные между собой и с потребителем. Можно использовать набор СПГГ, расположенных в виде кольца турбинами или вокруг них.Такая компоновка приближает выпускные окна к турбицам. При одноцилиндровом СПГГ для увеличения массы газа проходя 1 цего через одну турбину, дополнительные выпускные окна 13, 14 с клапанами - блоками 15, 16, установленными на этих окнах, соединяются с одной силовой туроиной 4.Подвижный цилиндр и неподвижная турбина (при работе СПГГ как генератора ггзя для турбины) сопрягаются подвижным уплотнительным контактом, который выполняется в наиболее узких сечениях. Например.на входе или выходе коллектора.Для улучшения газообмена СПГГ имееттурбокомпрессор, турбина которого может располагаться за силовой турбиной или за основным выпускным коллектором.Работа дополнительных Выпускных клапанов, изображенных на фиг. 1 - 3, основана ца том, что цилиндр, закрепленный подвижно (на пружинах), движется вверх (фиг. 2) от НМТ полости 10 к ВМТ этой полости, цилиндр 1 перемещается вниз, и наоборот, когда поршень движется вниз, цилиндр -- вверх Движение цилиндры 1 через шатун 9 приводит во вращение кривошип 21. Кривошип 20 жестко соедине;1 с шгтуном 9 и по углу сдвинут отцосительно него в сторону, противоположную направлению вращения. Таким образом, кривошип 20 повторяет вращательное движение кривошипа 21 с фазовым запаздь ванием.На фиг. 3 слева изображены: половина(до оси) продольного разреза цилиндра, золотниковый клапан с кривошипно-шатунным приводом. Там же стрелками показань принятые направления отсчета геремещений поршня, цилиндра и клапана. Их переме 1 цение вверх (по фиг. 3) считается положительным, вниз - отрицательным. За нуль принято положение, при котором поршень находится посредине цилиндра. На диаграмме в правой части фиг. 3 перемещения поршня 5,;, как независимая переменная, отложены по оси абсцисс. По оси ординат от.ожены перемецения цилиндра 5 . Положительному перемещению цилиндра соответствует отрицательное иерем ецение поршня и наоборот. Положения ВМТ и НМТ для верхней полости 10 отмечены на чертеже и я).рдицатах,Траектории движения границ дополн- тельного выпускного окка обозначены 5Поскольку окно выполнено В цилиндре, его траектория эквидистантна траектории движения цилиндра (центра цилиндра). Тоаектория движения конца золотникового клапана 5., близка к эллипсу с осями, повернутыми относительно принятых осей координат.,Положения, при которых конец золотника находится ниже верхней границы окна, соответствует открытому окну. Расстояние, на которое клапан окрыл окно, изображено цтрихОВкои. При данном механизме распределения клапан начинает открывать окно вблзи БМ (точка 6). Истечения в этот момент не происходит, т. к. доцолнителыос выпускное окно 3 герекрыто боковой поверхностью поошня. Затем клапан открывает окно полностью точка ц). При приближенки поршня к центру илиндра. к основном выц;ск 51 омх Окн (, дополнительный выпускной клапан здкрыВыет Окно (точка г) с некоторым пеоекрытием фаз дополнительного и основного окон.11 зменяя геометрцю кривошипно-шатунного механизма н др. узлов данного клапан- ного блока и его привода, можно осущестВить чобые заданные фазы газораспределенияя. Так, увели .ив длину коивошипа 20, м ожно умен ьш ить и родол ж ительн ость открытия окна3.11 и уменьшении а грузки умсньшдс; ся амплитуда колебднй цил 1 ндра, Вследствие этого кривошипы 20 и 21 не совершают полного ооорота. х возвратно-вращательное (качдтельное) перемсщенце приводит к тому что клапан 17 остается закрытым.СП 1 Г может работать как по циклу с самовоспламенецисм, так по циклу с принудительным зажиганием.Рассмотрим работу СПГГ цо дизельному циклу.11 ри движени порпня вниз В верхней полости 10, заключеной между порпнем 2 и головкой 3, происходит процесс расширения, изображенный нд индикаторной диаграмме (фиг. 4) кривой между объемами в точках а и о. Когда цор;пень 2, двигаясь вниз, проходит дополнительные выпускные окна 3, клапа 17 открывает эти окна, продукты сгораня, обладдоцце высокой энергией (давлением температурой), выходят в дополнительный выпускной коллектор ц силовую турбину 24 (направление движения продуктов сгоряня цз окон 13 4 показано стре,кдм ца фиг. 1). После словой турбины продукты сгорания .Огут цосту 1 ать на тур бину турбоком прсссорд (в варианте, когда турбина последнего расположена после тур. би 1 ь Ту)бокомц 5)ессорд (ТхР).Вследствие истечсия гдзя давление в полост 10 падает 1 прближяется к ддвлецию перед силовои турбино Р-. 11 ндикдторцыя ддграммд этого процессазобр,жена на фг. 4 линией б - н. Прц дальнейшем дв- женин поршня 2 клдпяц 171 лаяо закрывает окно 13, стечениера.унтов сгорания лсцьцыстся, я в точке я 1 рскряистс 51 (крВа 51 ц - г) . огдя по)1 цен ь проходт ВВ 1 скцос окно , род к) ь сорани 11 зкоо дыцлсция устремляютсяз олост 10 в это окно и далее в атмосферул туроу ТКР в зависимости От Вдрдт;1 дсц 1 ло)ксц 5:. ТКР.,.;вл сцс г цил и дрс и р этом ) и и ьц ястсястановится ниже давления после компрессора. Это давление обозначено Р. При дальнейшем перемещении поршня и связанном с цим перемещении выступа 9 прорези 12 входят в полость О. Через эти прорези и внутреннюю полость выступа 9 полость сообщается с впускным коллектором и компрессором турбокомпрессора. Сжатый в последнем воздух поступает в полость О и осуществляет наполнение. Движение воздуха через внутреннюю часть выступа способствует отводу тепла от поршня, что снижает его теплонапряженность и повышает надежность СПГГ. Далее, двигаясь вниз, поршень сжимает свежий заряд в полости 11, и туда же подается топливо. После достижения необходимой степени сжатия в полости 11 происходит самовоспламенение топлива. Давление в полости 11 резко повышается, в результате чего поршень 2 прекрагцает движение вниз и начинает двигаться вверх. В полости 10 при движении поршня вверх продолжается наполнение и осуществляется выталкивание в окна 7 оставшихся продуктов сгорания и продувка. После того, как при движении вверх поршня и выступа 9 прорези 12 минуют окна 6 в головке 3, прекращается впуск. Затем поршень 2 проходит окна 7, что прекращает выталкивание остатков продуктов сгорания и продувку.При последующем движении поршня вверх к ВМТ полости 10 клапан 7 по-прежнему закрывает окно 13 (фиг. 3) и в полости 1 О происходит сжатие свежего заряда (кривая л - я на фиг. 4), топливоподача и самовоспламенение топлива. После сгорания топлива давление в полости 10 возрастает (кривая м - а и далее), под действием этого давления поршень движется вниз, начинается такт расширения и т. д. В полости 11 происходят те же процессы, но сдвинутые по фазе относительно процессов в полости 10.На малых нагрузках (малых цикловых подачах топлива) уменьшается амплитуда перемещений цилиндра и поршня и; как указано выше, дополнительное выпускное ок,но 13 остается закрытым в течение всего цикла. Энергия газа расходуется на разгон поршня и поддержание рабочего состояния СПГ. Такое саморегулирование СПГГ особенно полезно для режимов холостого хода, пуска, когда энергия газа мала и ее не хватает для разгона поршня и одновременного привода турбины высокого давления.Основные преимущества предлагаемогоСПГГ заключаются в следующем. Разделен ный выпуск в сочетании с окнами в головкахи гильзе обеспечивают хорошие фазы газораспределения и газообмен даже при высокой частоте циклов СПГГ. Это повышает КПД. Наличие на поршне полых выступов с прорезями позволяет одним и тем же поршнем открывать и закрывать окна в головке и гильзе. Простой и прочный механизм позволяет в однопоршневом двигателе открывать дополнительные выпускные окна на такте расширения, не открывая их на такте сжа тия. Указанные механизмы газораспределения более просты и надежны, чем известные.Кроме того, механизм открывания дополнительных выпускных окон не открывает эти окна на режимах малых нагрузок и пуска, что улучшает пуск и повышает КГ 1 Д на этих нагрузках.Формула изобретения1. Свободнопоршневой генератор газа 25 двустороннего действия, установленный нанеподвижном основании, содержащий поршневую группу и рабочий цилиндр с торцовыми стенками и впускным и отверстями, расположенными в его средней части и соединенными с нагцетателем, и выпускными отверстиями, связанными, по меньшей мере, с одной газовой турбиной, отличающийся тем, что, с целью улучшения продувки, цилиндр установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения и снабжен по меньшей мере двумя дополнительными выхлопными окнами, размещенными между впускными отверстиями и торцовыми стенками, и золотниковыми запорными органами, связанными через шатуны с валом, установленным на неподвижном основании, имею щим привод в виде дополнительного криво.шипа и шатуна, сочлененного с рабочим цилиндром, причем кривошипы установлены со смешением по углу поворота вала.2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, .45 что поршневая группа снабжена полымиторцовыми направляющими штоками, а выпускные окна выполнены в виде радиальных. каналов на боковой поверхности штоков,1500801 е з ж гг Ю ДЯ Т СССР ри Состав Техред Тираж 4 комитета п сква, Ж - кий комби Реда кто р К. Круп ки н аЗаказ 5468/40ВНИИПИ Государственног113035, МПроизводственно-издател изобретениям5,. Раушскаят Патент,Корректор И. Муск Подписное открытиям при ГКнаб., д. 4/5Ужгород, угк Гага