Свободнопоршневой генератор газа

 

Изобретение относится к свободнопоршневым генераторам газа и позволяет улучшить продувку рабочего цилиндра генератора двустороннего действия с одной поршневой группой за счет организации разделенного 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-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 ц4 Г02В 71 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 3752801/25-06 (22) 1 1. 06. 84 (46) 15.09.89. Бюл. № 34 (75) Л. М. Жмудяк (53) 621.432 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 802586, кл. F 02 В 71/00, 198!. (54) СВОБОДНОПОРШНЕВОГ! ГEHEPAТОР ГАЗА (57) Изобретение относится к свободнопоршневым генераторам газа и позволяет улучшить продувку рабочего цилиндра генератора двустороннего действия с одной поршневой группой за счет организации разИзобретение относится к свободнопаршневым 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 P (давление) и V (объем полости цилиндра и фазы газораспределения).

СПГГ двустороннего действия состоит из цилиндра 1 и поршня 2. Цилиндр 1 имеет торцовые стенки — головки-3 и 4 с впускны„„SU „„1508001

2 деленного выхлопа на больших нагрузках.

В дополнение к штатным продувочным и выхлопHым 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 возвратнопоступательном перемещении рабочего цилиндра генератора, закрепленного на неподвижном основании, и подвижных золотников при достаточна больших амплитудах колебаний. 1 з. п. ф-лы, 4 ил. ми окнами 5 и 6 и выпускные окна 7. В цилиндре 1 расположен поршень 2. имеющий выступы 8 и 9. Поршень разделяет цилиндр на верхнюю (фиг. 2) 10 и нижнюю (фиг. 2)

11 полости.

Размеры поперечного сечения выступов 8, 9 соответствуют размерам окон 5, 6. Для уплотнения зазоров в окнах 5, 6 на выступах 8, 9 могут быть установлены уплотнения.

Окна 5, 6 закрыты выпускными коллекторами (не показаны), являющимися одновременно и кожухами, предохраняющими от контакта с выступами поршня.

Цилиндр устанавливается на основании подвижно и удерживается слабыми пру жинами, усилие предварительной затяжки которых равно силе случайных воздействий, а при вертикальной компановке СПГГ сумме веса и этих сил. Жесткость пружины может быть минимальной, а ход деформации должен превышать амплитуду колебаний цилиндра.

При жестких пружинах увеличиваются нагрузки на фундамент и даже могут возникнуть биения цилиндра, сказывающиеся

1508001 на стабильности рабочих циклов. Если выполнять пружины слабыми, чтобы цилиндр почти свободно совершал колебания, последний ввиду высокой цикличности мало удаляется от начального положения (на 5 ——

35 мм) и передает на фундамент очень малые нагрузки, равные усилию слабых пружин при указанных деформациях.

Если по койструктивным соображениям возмо>кно перемещение цилиндра на длину Л а максимальная амплитуда колебаний цилиндра равна Л,,„,, минимальная жесткость пружины определяется из соотношений:

Л =А„„,, + Л1. -; (!)

15 (2) ЛЕ.

Л/.. =:

20

45

50 где AF . и М.: — соответственно сила случайных воздействий и перемещение под действием этой силы;

С вЂ” 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 надежности лучцшм является вариант выполнения СПГГ, при котором

or

Рациональна длина выступов, равная сумме геометрического хода поршня и длины ооразуюгцей окна в l îëîâêå. Выступы поршня выполнены полыми, толщина 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 каназах 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 поршен ь.

Кроме этого варианта, в котором окна 5, 6 являются впускными, а окна 7 — выпускными, возможен вариант, в котором окна 5, 6

ВВляются BbitI)ieêíbrìи — Выпуск произВОдится через прорези и внутреннюю часть полых выступов, а окна 7 являются впускными.

Использование выступов как органов

Впуска пелесообразнее, чем их использование как органов выпуска, с точки зрения надежности, термос гоикости и прочности.

Действительно, при выступах — элементах

Органов впуска --- прорезанная часть выступов начинается ближе к Нх концу. Это позволяет увеличить внутренний диаметр, следовательно, уменьшить 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 СП ГГ является двигатель, снабженный дополнительными выпускными окнами (фиг. 1 — 3) 13 и 14, закрытыми дополнительными клапанами — блоками )5 и 16. Клапаны дополнительных блоков могут быть различий конструкции (например, самодействующие клапаны и др.). Конструкция, обеспечивающая надежность и оптимальность фазы газораспределения, приведена на фиг. 2, 3. В этом варианте Выполнения блока-выпуска клапаны 17 приводятся в движение кризошипно-шаf)niíûì механизмом, кривошип 18 которого связан шатуНоМ 19 с цилиндро"1 1. Кривошип 20 этого механизма смещен по углу относителы-*.о крнвошипа 2! и связан отдсльным шатуном

18 с клапаном 17.

Радиус кривонгипа 21 выбран исходя из амплитуды перемещения цилиндра на полной нагрузке, а радиус кривошипа 20— исходя из необходимой амплитуды перемегцения клапана 17 (при аксиальных механизмах указанные радиусы равны соответствукнцим амплитудам) . Общая ось 22 вращения крнвошипов 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 npeделах) длины.

Центр вращения кривошппов относительно окна 13 специально располо>кен со стороны центра цилиндра. Это обусловлено тем, что в момент начала открытия направления движения цилиндра и клапана противоположньк

Поэтому окно 13 открывается оыстро, что уменьшает дросселирование газа высокой энергии. Противоположное расположение указанного центра приводит к совпадению направления скоростей клапана и цилиндра в моменты начала выпуска, что снижает

cK0pocTb Открытия Вып скного Окна. Дополнительные выпускные клапаны противопо ложных полостей цилиндра при рациональной организации перемегцения этих клапанов движутся lio близким траекториям. Поэтому дополнительные выпускные клапаны обеих полостей могут приводиться в движение от одного механизма. Для осуществлеHHrl топливоподачи и сгорания топлива цилиндр СПГГ снабжсн форсунками 23 или свечами и соответствующей топливной ап 508001 становится ниже давления после компрессора. Это давление обозначено Р„. При дальнейшем перемещении поршня и связанном с ним перемещении выступа 9 прорези 12 входят в полость 10. Через эти прорези и внутреншою 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 прекращает 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 10 происходит сжатие свежего заряда (кривая л — я на фиг. 4), топливоподача и самовоспламенение топлива. После сгорания топлива давление в полости 10 возрастает (кривая я — 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

СПГГ. 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 предлагаемого

СПГГ заключаются в следующем. Разделен5 ный выпуск в сочетании с окнами в головках и 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 сжа15 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 КПД на этих нагрузках.

Формула изобретения

1. Свободнопоршневой генератор газа

25 двустороннего действия, установленный на неподвижном основании, содержащий поршневую группу и рабочий цилиндр с торцовыми стенками и впускным и отверстями, расположенными в его средней части и соединенными с нагнетателем, 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, имею4р щим привод в виде дополнительного кривошипа и шатуна, сочлененного с рабочим цилиндром, причем кривошипы установлены со смещением по углу поворота вала.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, .

45 что поршневая группа снабжена полыми торцовыми направляющими штоками, а выпускные окна выполнены в виде радиальных

- каналов на боковой поверхности штоков.

1508001

Ри2.2

1500801 пш.

4ие. 3

Р

Рк а бгг

Юл Вк g u e зж

Qua. Ф

Составитель Л. Жмудяк

Реда кто р К. Круп ки н а Техред И. Верес Корректор И. Муска

Заказ 5468/40 Тираж 482 Подп исное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1 I 3035, Москва, Ж вЂ” 35,. Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат «Патент», r. Ужгород, ул. Гагарина, i01