Силовой агрегат

Устройство относится к машиностроению, а именно к четырехтактным свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано: в качестве силового агрегата для привода судов, самоходных, стационарных машин, станков и оборудования; в насосных, компрессорных, эл. генераторных и теплоэнергетических установках, для компримирования газа на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях, дожимных компрессорных станциях, на месторождениях с падающей добычей природного газа, станциях подземного хранения газа, в составе энерготехнологических комплексов при интенсификации добычи нефти и газа, для опрессовки трубопроводов и газовой аппаратуры, при утилизации ТБО, на втором этапе, после газификации в сверхадиабатическом режиме. Устройство состоит, как минимум, из четырехцилиндрового четырехтактного свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания и механизма отбора мощности, характеризующегося тем, что группа поршней двигателя жестко соединена безштоковой связью в единый блок поршней с поршнем (ротором) или группой поршней (роторами) механизма отбора мощности, а система топливоподачи включает, как минимум, одну форкамеру на каждый цилиндр двигателя, а в качестве топлива используется природный, нефтяной или продукт - газ.

Устройство относится к машиностроению, а именно к четырехтактным свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано: в качестве силового агрегата для привода судов, самоходных, стационарных машин, станков и оборудования; в насосных, компрессорных, эл. генераторных и теплоэнергетических установках, для компримирования газа на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях, дожимных компрессорных станциях, на месторождениях с падающей добычей природного газа, станциях подземного хранения газа, в составе энерготехнологических комплексов при интенсификации добычи нефти и газа, для опрессовки трубопроводов и газовой аппаратуры, при утилизации ТБО, на втором этапе, после газификации в сверхадиабатическом режиме.

Известны свободнопоршневые силовые агрегаты (ССА) и двигатели компрессоры (СПДК) различного назначения (например, [1, 2]). При всех своих положительных качествах отрицательным моментом в них является то, что в качестве топлива они используют дизельное топливо.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному изобретению является двухтактный СПДК [3], содержащий корпус с размещенными в нем цилиндро-поршневыми группами двигателя, буфера и компрессорных ступеней и систему топливоподачи газа, в виде установленных на корпусе цилиндра двигателя газовпускного клапана и форкамер, каждая из которых имеет клапан подачи газового топлива и свечу зажигания, двигатель-компрессор снабжен размещенными между полостями буфера, продувочного насоса и компрессора перегородками с уплотнениями, а в качестве топлива двигателя использован природный или нефтяной газ, основным компонентом которых является метан.

Недостатком является низкий коэффициент полезного действия (КПД) и невысокая надежность двухтактного двигателя в сравнении с четырехтактным из-за:

1. Несовершенного механизма газораспределения: зависимость фаз газораспределения только от перепада давления в цилиндре, что не позволяет эффективно и без потерь горючей смеси произвести продувку и наполнение камеры сгорания, как следствие - перерасход топлива, снижение экономичности, повышенная токсичность.

2. Конструкционных особенностей двухтактного двигателя: наличие впускных и выпускных отверстий в цилиндре уменьшает эффективный ход поршня, как следствие - перерасход энергии.

Известен также силовой привод с четырехтактным свободнопоршневым двигателем внутреннего сгорания [4], содержащий рабочий цилиндр с клапанами газораспределения и двумя группами поршней, один из которых - основной - жестко связан с силовыми и пусковым гидравлическими плунжерами, а другой - вспомогательный - с управляющим плунжером двухстороннего действия, которые работают по схеме четырехтактного двигателя внутреннего сгорания при организации поочередного движения поршней в цилиндре, с помощью двух гидроаккумуляторов и системы клапанов, управляемых блоком, состоящим из логического устройства, датчиков контроля состояния элементов силового привода, и гидроусилителя управления двухпозиционным золотником.

Недостатками этого агрегата являются:

1. Низкий КПД связанный с неэффективной системой поочередного движения поршней и потерями энергии на их торможение и пуск.

2. Несовершенство механизма газораспределения - зависимость фаз газораспределения только от перепада давления в цилиндре, как следствие - перерасход топлива, снижение экономичности, повышение токсичности.

3. Потеря энергии в гидроаккумуляторах, т.к. за один цикл (четыре хода) три хода двух поршневых групп осуществляются исключительно за счет энергии накопленной гидроаккумуяяторами.

4. Низкая надежность и сложность управления приводом поочередного движения поршневых групп с помощью блока управления, состоящего из логического устройства, с подключенными к нему датчиками контроля состояния элементов силового привода, и гидроусилителя управления двухпозиционным золотником.

5. Невозможность устойчивой работы из-за отсутствия жесткой системы синхронизации поршней, в связи с: неизбежным изменением физических параметров гидравлики (температура, вязкость, объем), в разных участках на разную величину; неравенством сил трения между гильзами цилиндров и поршнями, у разных поршневых групп; различной массы поршневых групп.

6. Нецелесообразность разработки многоцилиндрового агрегата, по этой схеме, из-за сложности в системе синхронизации более двух групп не жестко связанных поршней и неизбежности падения КПД при этом.

7. Значительные габариты и вес.

8. Неуравновешенная работа двигателя на газообразном топливе.

Технический результат технического решения - повышение КПД, надежности, увеличение ресурса работы, уменьшение габаритов и веса силового агрегата, экономия дефицитного дизельного топлива путем замены его на природный, нефтяной или продукт - газ; интенсификация добычи газообразного топлива в газовой и нефтяной промышленности, улучшение экологической чистоты окружающей среды за счет уменьшения токсичности отработавших газов топлива и использования, в качестве топлива, продуктов газификации в сверхадиабатическом режиме, после переработки горючих отходов, с получением тепловой, электрической или иной энергии.

Технический результат достигается:

1. Расположением рабочих цилиндров двигателя агрегата параллельно между собой и цилиндрами механизма отбора мощности; комбинацией, оптимальной для его работы по четырехтактной схеме; выбором их количества, в зависимости от условий применения агрегата - минимум по два рабочих цилиндра двигателя с торцов агрегата.

2. Жестким соединением рабочих органов двигателя и механизма отбора мощности в единый блок, оптимальным для их согласованной работы: рабочие поршни двигателя и поршни (ротор) механизма отбора мощности жестко соединены между собой непосредственно (без штока), на одном или на нескольких из поршней (роторе) механизма отбора мощности. Безштоковое соединение поршней между собой дает возможность существенно сократить линейные размеры, упростить конструкцию и повысить надежность агрегата, в виду отсутствия быстро изнашиваемой системы сальниковых отверстий штока в межсекционных стенках, а также снизить массу подвижной части агрегата и, следовательно, уменьшить ее силу инерции, при движении.

3. Повышением эффективности газораспределительной системы, благодаря ее принудительному управлению, что осуществляется использованием энергии механизма отбора мощности.

4. Применением системы топливоподачи включающей форкамеры, каждая из которых имеет клапан подачи газового топлива и свечу зажигания, а в качестве топлива двигателя использован природный, нефтяной, или продукт - газ.

Сравнительный анализ предложенного технического решения с прототипом и аналогами показал, что первое из них отличается наличием новых конструктивных элементов, а именно: выполнением системы топливо-подачи включающей форкамеры, на каждой из которых установлены клапан подачи газового топлива и свеча зажигания. Очень важным является использование в качестве топлива природного, нефтяного, или продукт - газа.

Использование системы топливоподачи с форкамерно-факельным зажиганием приводит к надежному воспламенению газовоздушной смеси в цилиндре и уменьшению степени сжатия, что обеспечивает бездетонационное сгорание топлива.

Все вышеизложенное доказывает необходимость и существенность введенных отличительных признаков, поскольку они способствуют достижению поставленного технического результата.

Анализ существующей научно-технической и патентной литературы выявил отсутствие заявленной совокупности существенных признаков, хотя в отдельности, кроме использования в качестве топлива двигателя СПДК и ССА природного и нефтяного газов, они и присутствуют в определенных конструкциях СПДК и ССА. Однако именно в заявленном сочетании они способны обеспечить технический результат, указанный заявителем.

Функционально силовой агрегат содержит четырехтактный свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания и механизм отбора мощности.

Двигатель, в общем случае, может иметь: четыре рабочих цилиндра и более; непосредственную межпоршневую связь с поршнями (ротором) механизма отбора мощности (безштоковую); различные системы питания и газораспределения, отличающиеся по приводу, по управлению приводом, по конструкции.

Механизм отбора мощности, в общем случае, может иметь: различное пространственное расположение, различные последовательность и количество поршней (роторов) и цилиндров (статоров); непосредственную межпоршневую связь с поршнями (ротором), механизма отбора мощности, и штоковую.

В частном случае конструкция двигателя и механизма отбора мощности силового агрегата определяется условиями его применения и экономической целесообразностью, с обязательной вертикальной ориентацией (см. чертеж).

На чертеже схематично представлен предлагаемый силовой агрегат на виде спереди и сверху (с сечением поршней), с четырехцилиндровым двигателем внутреннего сгорания, механизмом отбора мощности, состоящим из компрессора, гидронасоса, совмещенного гидроприводом с гидромотором, линейного электрогенератора, и штока отбора мощности.

Двигатель содержит: рабочие цилиндры 1-4, находящиеся в них рабочие поршни 5-8, одностороннего действия; систему газораспределения, состоящую из газораспределительного механизма 9, 10 и клапанного механизма 11-18; систему питания, состоящую из топливного механизма 19, 20, и, установленных на корпусе цилиндра двигателя, форкамер 34-37, каждая из которых имеет, как минимум, один клапан 12, 14, 16, 18 подачи газового топлива и свечу зажигания (на фиг. не показана).

Механизм отбора мощности содержит: компрессор, состоящий из пневмоцилиндра 21 с, находящимся в нем, пневмопоршнем 22 двухстороннего действия; гидронасос, состоящий из гидроцилиндров 23 и 24, совмещенный гидроприводом с гидромотором 25, с находящимися в них гидропоршнями 26, 27 одностороннего действия; линейный электрогенератор, состоящий из статоров 28, 29 с, находящимися в нем, роторов 30, 31; штока отбора мощности 32, 33.

Конструкционно силовой агрегат состоит из двух основных частей: неподвижной и, совершающей в ней возвратно-поступательные движения, подвижной.

Неподвижная часть представляет собой: блок жестко связанных рабочих цилиндров 1-4, с клапанным механизмом 11-18, гидроцилиндров 23, 24, статора 28, 29 с пневмоцилиндром 21. Пневмоцилиндр 21 имеет с торцов жесткое соединение и общие отверстия с рабочими 1-4 и гидро 23, 24 цилиндрами: радиально-симметричные соединения с рабочими цилиндрами 1, 3 и центрально-симметричное соединение с гидроцилиндром 23, с одной стороны, и радиально-симметричные соединения с рабочими цилиндрами 2, 4 и центрально-симметричное соединение с гидроцилиндром 24, с другой стороны. Гидроцилиндры 23, 24 с внешних торцов имеют жесткое соединение и общие отверстия со статорами 28, 29: гидроцилиндр 23 имеет центрально-симметричное соединение со статором 28, с одной стороны, а гидроцилиндр 24 имеет центрально-симметричное соединение со статором 29, с другой стороны. Статоры 28, 29 с внешних торцов имеют центрально-симметричные отверстия с диаметром, сопряженным с диаметром штока отбора мощности. Газораспределительный 9, 10 и топливный 19, 20 механизмы жестко крепятся к блоку цилиндров агрегата с его торцов, в местах равноудаленных от цилиндров двигателя. Привод и управление газораспределительного 9, 10 и топливного 19, 20 механизмов осуществляется исходя из целесообразности использования того или иного, а также их комбинации, вида энергии механизма отбора мощности силового агрегата. Так, например, связь между газораспределительным механизмом 9, 10 и клапанным механизмом 11-18 может быть: механической, гидравлической, пневматической, электрической или комбинированной.

Подвижная часть представляет собой комбинацию жестко связанных: пневмопоршня 22, рабочих поршней 5-8, гидропоршней 26, 27, роторов 30, 31, штоков отбора мощности 32, 33. Связь рабочих поршней 5-8 между собой и с гидропоршнями 26, 27 осуществляется через их жесткое соединение с пневмопоршнем 22, симметрично расположенного между рабочими 5, 7 и гидро 26 поршнями, с одной стороны, и рабочими 6, 8 и гидро 27 поршнями, с другой стороны. Рабочие поршни 5-8 жестко связаны внутренними торцами с торцами пневмопоршня 22 радиально-симметрично, гидропоршни 26, 27 внутренними торцами - центрально-симметрично, а внешними торцами жестко, центрально-симметрично, связаны с внутренними торцами роторов 30, 31, внешние торцы которых жестко, центрально-симметрично, соединены со штоками отбора мощности 32, 33.

Работа силового агрегата в цилиндрах (статоре) механизма отбора мощности осуществляется возвратно-поступательным движением блока поршней (ротора), управляемым поочередным движением поршней двигателя, по четырехтактной схеме.

Рассмотрим работу двигателя, с впрыском топлива, на примере одного такта. Поршень 5 из положения верхней мертвой точки (ВМТ) направлен в нижнюю мертвую точку (НМТ), выпускной клапан 11 закрыт, впускной клапан (на фиг. не показан) цилиндра 1 открыт, клапан 12 подачи газового топлива открыт, рабочий газ поступает в цилиндр 1 и в форкамеру 34. Поршень 6 из положения НМТ направлен в ВМТ, выпускной клапан 13 закрыт (открыт), впускной клапан (на фиг. не показан) цилиндра 2 закрыт, клапан 14 подачи газового топлива закрыт, рабочий газ сжимается в цилиндре 2 (выхлопные газы выталкиваются из цилиндра 2). Поршень 7 из положения ВМТ, после подачи искрового разряда на свечу и воспламенения рабочего газа в форкамере 36 и последующего воспламенения рабочего газа в цилиндре 3, направлен в НМТ, под действием энергии расширяющихся газов, выпускной 15 клапан и впускной (на фиг. не показан) клапан цилиндра 3 закрыты, клапан 16 подачи газового топлива закрыт. Поршень 8 из положения НМТ направлен в ВМТ, выпускной клапан 17 открыт (закрыт), впускной (на фиг. не показан) клапан цилиндра 4 закрыт, клапан 18 подачи газового топлива закрыт, выхлопные газы выталкиваются из цилиндра 4 (рабочий газ сжимается в цилиндре 4).

Из обобщения работы двигателя следует, что очередность рабочих циклов, в разницу на один такт, имеют любые из цилиндров двигателя, находящихся с противоположных торцов агрегата, на два такта - с одного торца агрегата.

Аналогично происходит и работа агрегата с числом цилиндров двигателя более четырех. Отличие лишь в том, что рабочие такты совпадают сразу в двух, для восьмицилиндрового двигателя или в трех, для двенадцатицилиндрового двигателя, цилиндрах.

Часть полезной мощности, вырабатываемой в двигателе преобразуется в гидронасосе в энергию давления рабочей жидкости, которая может использоваться затем для привода гидромотора (гидромуфты), встроенного например, в трансмиссию автомобиля, а так же другого рабочего оборудования. Часть полезной мощности, при необходимости, может использоваться в компрессоре, для создания запасов сжатого воздуха, а так же в линейном электрогенераторе для выработки электроэнергии. Сжатый воздух затем используется, например, для привода тормозов автомобиля и запуска силового агрегата. Электроэнергия может использоваться для подзарядки автомобильного аккумулятора, а так же в системе электрического запуска силового агрегата.

Данный силовой агрегат имеет все преимущества четырехтактного двигателя с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) и свободен от, присущих ему, недостатков: наличие КШМ и, связанных с ним, потерь энергии; а так же все преимущества свободнопоршневого: малые габариты и вес, простота конструкции, а следовательно, низкие затраты на производство, ремонт и обслуживание, повышение мощности двигателя за счет возможности изменения степени сжатия, в зависимости от изменения объема камеры сгорания, при различных циклах; и свободен от присущих ему недостатков: обычно несовершенных систем питания и газораспределения.

Таким образом, устраняя недостатки и используя преимущества, присущие свободнопоршневым двигателям, предлагаемый силовой агрегат позволяет повысить КПД в сравнении с четырехтактным двигателем с КШМ. Это благоприятствует применению силового агрегата для привода самоходных машин, особенно в тех, где конструкцией предусмотрено наличие гидромоторов, гидромуфт, гидронасосов, гидроцилиндров, гидропривод которых очень просто объединить с гидронасосом силового агрегата и будет, тем самым, исключена цепь преобразований движения и, связанных с этим, потерь энергии.

Целесообразно применение силового агрегата в передвижных компрессорных и насосных механизмах, в которых, из-за несовершенства существующих двухтактных и четырехтактных свободнопоршневых двигателей, получили широкое распространение четырехтактные, с КШМ. При объединении двигателя, с КШМ, с механизмом отбора мощности происходит значительное снижение КПД агрегата, связанное с потерей энергии на преобразованиях движения: возвратно-поступательное движение поршней двигателя - во вращательное движение коленчатого вала двигателя - во вращательное движение коленчатого вала механизма отбора мощности - в возвратно-поступательное движение поршней механизма отбора мощности, - а так же существенно возрастают габариты и масса механизма, что усложняет его передвижение.

Целесообразно применение агрегата на втором этапе утилизации и экологически чистой переработки горючих отходов, при использовании процесса пиролиза, для преобразования энергии продукт-газа, полученного на первой стадии процесса переработки: газификации в сверхадиабатическом режиме - в тепловую, электрическую или иную энергию.

Примечание:

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. А/С 1553750, FO2B 71/00, публ. 1989 г.

2. ЕР 0280200, F02B 71/04, публ. 31.08.1988 г.

3. RU 2084662, FO2B 71/00, публ. 20.07.1997 г.

4. А/С 1592541, F02B 71/04, публ. 15.09.1990 г.

Силовой агрегат, содержащий, как минимум, четырехцилиндровый четырехтактный свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания и механизм отбора мощности, характеризующийся тем, что группа поршней двигателя жестко соединена безштоковой связью в единый блок поршней с поршнем (ротором) или группой поршней (роторами) механизма отбора мощности, а система топливоподачи включает, как минимум, одну форкамеру на каждый цилиндр двигателя, а в качестве топлива используется природный, нефтяной или продукт - газ.