Изобретение относится к двигателестроению, а именно к свободнопоршневым двигателям, и может быть использовано в качестве двигателя для привода тихоходных поршневых насосов без промежуточных преобразований движения, а также для привода любых потребителей от вращающегося приводного вала с использованием в качестве источника энергии энергии как высоко-, так и низкопотенциальных газовых сред. В свободнопоршневом двигателе, содержащем основание, на котором установлен цилиндр, внутри которого размещен поршень, впускные и выпускные клапаны с механизмами их привода, согласно изобретению цилиндр закреплен на основании с возможностью качания в вертикальной плоскости относительно центра его продольной оси, на обоих концах цилиндра расположены головки с впускными и выпускными клапанами, к которым посредством гибких магистралей подведена рабочая среда. Изобретение позволяет упростить передачу мощности потребителям без использования промежуточных сред и механизмов соответственно с большей надежностью и более высоким КПД, а также использовать в качестве источника энергии энергию низкопотенциальных газовых сред. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к конструкциям двигателей, предназначенных для непосредственного привода тихоходных поршневых насосов, например "качалок" в нефтедобывающей промышленности, и позволяет использовать низкопотенциальные газовые среды в качестве источников энергии, например сброс давления после паровых или газовых турбин, отработанные выхлопные газы стационарных двигателей внутреннего сгорания и т.п. Описываемый свободнопоршневой двигатель позволяет также снимать полезную мощность с вращающегося вала.
Известны свободнопоршневые двигатели, которые преимущественно преобразуют химическую энергию топлива в механическую энергию по принципу работы двигателей внутреннего сгорания, например /см. патент №2066383, F02В 71/04/, где передача мощности от поршней осуществлена рабочей жидкостью или магнитным полем /см. патент №2046966, F02В 71/04/.
Известные двигатели работают по принципу двигателей внутреннего сгорания и не обеспечивают возможности использования энергии низкопотенциальной газовой среды. Для передачи мощности от поршней используется промежуточная среда (жидкость, магнитное поле), что ведет к снижению коэффициента полезного действия и усложнению конструкции, причем в случае использования известных двигателей для привода поршневых насосов вновь необходим механизм преобразования в возвратно-поступательное движение поршня насоса, что усложняет конструкцию и снижает общий коэффициент полезного действия.
Целью изобретения является упрощение конструкции двигателя, особенно для привода поршневых тихоходных насосов, а также обеспечение возможности работы двигателя на энергии низкопотенциальной газовой среды.
Свободнопоршневой двигатель содержит основание, на котором установлен цилиндр с расположенным внутри него свободным массивным поршнем. Цилиндр закреплен на основании посредством жестко прикрепленной к нему оси качания с возможностью качания в вертикальной плоскости относительно центра продольной оси цилиндра. На обоих концах цилиндра закреплены головки с впускными и выпускными клапанами, к впускным клапанам которых посредством гибких магистралей подведена рабочая среда. В случае использования описываемого двигателя для привода тихоходных поршневых насосов цилиндр двигателя посредством шарнира непосредственно соединен со штангой механизма привода этого насоса. В случае снятия мощности с вращающегося приводного вала ось качания цилиндра соединена с этим валом посредством обгонных муфт правого и левого вращения, причем одна из них непосредственно передает вращение на приводной вал, а вторая для изменения направления вращения - через зубчатые передачи. Механизм привода клапанов закрывает выпускной клапан той головки, к которой в данный момент подходит поршень, обеспечивая условие безударной о головку остановки поршня, то есть кинетическая энергия движущегося поршня расходуется на сжатие оставшейся в цилиндре газовой среды, давление которой в момент остановки поршня может превысить давление во впускной магистрали. Под действием сжатой газовой среды поршень меняет направление своего движения на противоположное, и, как только давления между поршнем и головкой и во впускной магистрали выравняются, механизм привода клапанов откроет впускной клапан данной головки и выпускной клапан противоположной головки.
На чертеже представлена схема описываемого свободнопоршневого двигателя.
Свободнопоршневой двигатель содержит основание 1, на котором на оси качания 2 жестко закреплен цилиндр 3 с расположенным внутри него массивным поршнем 4. С обеих сторон цилиндр 3 закрыт головками 5, в которых установлены впускные 6 и выпускные 7 клапаны. К головкам 5 со стороны впускных клапанов 6 подсоединены гибкие впускные магистрали 8. К цилиндру 3 посредством шарнира 9 прикреплена штанга привода 10 поршневого насоса, а ось качания 2 посредством обгонных муфт 11 правого и левого вращения соединена с приводным валом (на схеме не показан), причем одна из муфт 11 непосредственно соединена с этим валом, а вторая для изменения направления вращения соединена с ним через зубчатые передачи (на схеме но показаны).
Работает описываемый двигатель следующим образом. При подаче газообразной рабочей среды по гибким магистралям 8 под избыточным над атмосферным давлением поршень 4, преодолевая силу тяжести, начнет перемещаться к противоположной головке, выпускной клапан которой открыт, и по прохождении центром его тяжести оси качания 2 возникнет вращающий момент, который будет возрастать по мере приближения поршня к противоположной головке. Под действием этого момента цилиндр начнет поворачиваться вокруг оси качания 2. При достижении продольной осью цилиндра х-х положения, близкого к горизонтальному, механизм привода клапанов закроет впускной клапан 6 работавшей головки и поршень 4 продолжит свое движение к противоположной головке за счет расширения газов со стороны работавшей головки, а также за счет запаса кинетической энергии движущегося массивного поршня. По прохождении осью цилиндра х-х горизонтального положения к этим силам добавится и сила тяжести поршня 4. При приближении поршня 4 к неработавшей головке механизм привода клапанов закроет выпускной клапан 7 этой головки и вся энергия движущегося поршня преобразуется в энергию сжатого газа между поршнем и неработавшей головкой. В результате этого поршень остановится безударно об эту головку и изменит направление своего движения на противоположное. Как только давление между поршнем и неработавшей головкой и давление рабочей среды во впускной магистрали сравняются, механизм привода клапанов откроет впускной клапан на неработавшей головке и выпускной клапан на работавшей головке и поршень начнет перемещаться в обратном направлении, совершая также рабочий ход, причем работающей уже будет головка с открытым впускным клапаном, то есть от которой поршень начал движение. Мощность с описываемого двигателя снимается в случае его работы на привод поршневого насоса посредством штанги 10 привода насоса, соединенной с цилиндром 3 посредством шарнира 9. В случае снятия мощности с приводного вала крутящий момент на него передается с цилиндра 3 и жестко соединенную с ним ось качания 2 посредством обгонных муфт 11 правого и левого вращения, причем одна из этих муфт непосредственно соединена с этим валом, а вторая для изменения направления вращения соединена с ним посредством зубчатой передачи. При качании цилиндра 3 в одну сторону муфта 11, непосредственно связанная с приводным валом, передает крутящий момент с оси качания 2 сразу на этот вал, муфта же обратного направления свободно проскальзывает. При качании цилиндра в обратную сторону муфта, непосредственно связанная с приводным валом, проскальзывает, а муфта обратного направления вращения передает крутящий момент с оси качания 2 цилиндра 3 через зубчатую передачу, изменяющую направление вращения на обратное, на этот же приводной вал. Для снижения неравномерности вращения приводного вала на нем установлен маховик, а описываемый свободнопоршневой двигатель выполнен многоцилиндровым с общим приводным валом.
Описываемый свободнопоршневой двигатель при собственной простоте конструкции в случае использования его на привод поршневого насоса позволяет значительно упростить передаточный механизм от поршня двигателя к поршню насоса с более высоким коэффициентом полезного действия даже по сравнению с непосредственным соединением поршней насоса и двигателя общим штоком, а также позволяет использовать для получения механической энергии энергию как высокопотенциальных, так и низкопотенциальных газовых сред, например энергию выхлопных газов стационарных двигателей внутреннего сгорания, сброс давления после паровых и газовых турбин и тому подобное с высоким коэффициентом полезного действия как по давлению, так и по температуре газовой среды, поскольку при прохождении поршня около оси качания цилиндра подача рабочей среды через впускной клапан прекращается и происходит примерно двойное расширение газа с использованием этой энергии на полезную работу.
1. Свободнопоршневой двигатель, содержащий основание, на котором установлен цилиндр, внутри которого размещен поршень, впускные и выпускные клапаны с механизмами их привода, отличающийся тем, что цилиндр закреплен на основании с возможностью качания в вертикальной плоскости относительно центра его продольной оси, на обоих концах цилиндра расположены головки с впускными и выпускными клапанами, к которым посредством гибких магистралей подведена рабочая среда.
2. Свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что цилиндр двигателя посредством шарнира непосредственно соединен со штангой привода поршневого насоса.
3. Свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что цилиндр жестко соединен с осью качания, которая в свою очередь соединена с приводным валом посредством обгонных муфт правого и левого вращения, причем одна из муфт непосредственно передает крутящий момент на этот вал, а вторая - через зубчатые передачи.
4. Свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что механизм привода клапанов закрывает выпускной клапан той головки, к которой подходит поршень, обеспечивая условие безударной о головку остановке поршня, впускной же клапан этой головки открывает при равенстве давлений рабочей среды между поршнем и этой головкой и во впускной магистрали и закрывает при приближении к горизонтальному положению продольной оси цилиндра, причем одновременно с открытием впускного клапана на одной головке открывает выпускной клапан на противоположной головке.
www.findpatent.ru
Машины, работающие по циклу Стирлинга
Исследования свободнопоршневых двигателей Била стимулировали изобретение в университете Калгари гибридной машины со свободным вытеснителем и кривошипно-шатунным приводом рабочего поршня. Свободнопоршневые двигатели заманчивы своей простотой. Однако если они не предназначены для работы в качестве насосов Или компрессоров, то затруднительно использовать энергию возвратно-поступательного движения его отдельных элементов, поскольку многие агрегаты приводятся в действие вращающимися валами.
Гибридная машина является попыткой объединить достоинства простой конструкции свободнопоршневого двигателя с распространенностью и большой применяемостью цилиндропоршневого блока и кривошипно-шатунного узла. Одна из привлекательных сторон гибридной машины заключается в том, что ее нижняя часть — рабочий поршень, цилиндр и кривошипно-шатунный механизм могут быть обычными узлами двигателей внутреннего сгорания. Имеющийся производственный опыт, сборочные приспособления и инструменты, а также различная арматура обычных двигателей внутреннего сгорания могут быть использованы и для гибридной машины, позволяя тем самым снизить стоимость двигателей Стирлинга до уровня, почти сравнимого со стоимостью других поршневых машин.
Схема поперечного сечения гибридного одноцилиндрового двигателя показана на рис. 10-5. Картер, коленчатый вал, шатун, цилиндр и рабочий поршень (часть двигателя ниже линии X—X) могут быть обычными узлами двигателей внутреннего сгорания, работающих на газообразном или жидком топливе. Для постановки газонепроницаемого уплотнения рабочий поршень изменен;
| Рис. 10-5. Гибридный двигатель Стирлинга со свободным вытеснителем и кривошипно-шатун - ным приводом рабочего поршня 1 — полость расширения; 2 — вытеснитель; 3 - - теплозащитный экран; 4 — Уплотнение вытеснителя; о — полость сжатия; 6 — ■фиктивный поршень; 7 -- уплотнение поршня; 8 — буферная полость. |
Он имеет удлиненный вертикальный стержень, являющийся в своей верхней части пустотелым штоком вытеснителя, на котором находится фиктивный поршень. Полость между фиктивным и рабочим порш-
| Рис. 10-6. Прототип гибридного двигателя с использованием картера от серийно выпускаемого двигателя фирмы «Хонда». |
Нями соединена с внутренним объемом вытеснителя и вместе с ним составляет буферную полость. Рабочий объем — это объем в цилиндре выше фиктивного поршня; он подразделен (вытесни-
1 Эта машина динамически подобна свободнопоршневому двигателю и Дает возможность отводить полезную работу двигателя на вращающийся вал.
Телем) на полость сжатия (ниже вытеснителя) и полость расширения (над вытеснителем).
Двигатель работает точно так же, как и описанный выше сво - боднопоршневой двигатель Била. Легкий вытеснитель быстро реагирует на перепад давления между буферной и рабочей полостями. Рабочий поршень, коленчатый вал, маховик и шатун скомбинированы так, чтобы создать динамический эквивалент тяжелого поршня с большой инерцией, характерный для двигателя Била.
На рис. 10-6 показан опытный вариант гибридного двигателя, сконструированного в университете Калгари, в котором был использован обычный картер от серийно выпускаемого одноцилиндрового двигателя фирмы «Хонда» (Honda). Этот двигатель был куплен за 97 долл. в 1970 г., и, по крайней мере, половина его узлов была
| Рис. 10-7. Схема гибридного двигателя Стирлинга, выполненная по типу обычных V-образных двигателей. 1 — камера сгорания; 2 — тепловая труба с жидкометаллическнм теплоносителем; 3 — тепловая изоляция; 4 — полость расширения; 5 — свободно движущийся вытеснитель; 6 — полость сжатия; 7 — поршень; 8 — система охлаждения; 9 — буферная полость. |
Заменена с целью приспособить его для работы в качестве преобразователя. До сих пор гибридный двигатель с электроподогревом не показал удовлетворительной работы из-за того, что после нескольких оборотов нарушается фазовое смещение поршней. Двигатель не имеет предпочтительного направления вращения и работает одинаково хорошо (или, возможно, плохо) при любом направлении вращения. Кроме того, на ранней стадии разработки двигатель имел неудовлетворительные характеристики при останове в одном направлении и повторном пуске в другом. Ожидается, что все эти проблемы по мере понимания работы двигателя будут разрешаться.
Общий вид возможного варианта гибридного двигателя показан на рис. 10-7, где дано поперечное сечение обычного двигателя внутреннего сгорания, выполненного по схеме V8 и переделанного в гибридный двигатель. В схеме предусмотрена общая камера сгорания (по типу камер авиационных двигателей), соединяемая с каждым из цилиндров тепловыми трубами с жидкометаллическнм теплоносителем. Буферные полости всех цилиндров объединеныв один общий объем. Для двигателя с номинальной мощностью 14,7— 22 кВт (20—30 л. е.), что составляет десятую часть мощности двигателя V8, рабочим телом может быть воздух с давлением в несколько атмосфер. Ожидается, что эффективный к. п. д. будет составлять примерно 20%.
Основными независимо выбранными конструктивными параметрами машины Стирлинга являются следующие: Отношение температур т = ТС/ТЕ, т. е. отношение температуры в полости сжатия к температуре в полости расширения; Отношение вытесняемых объемов k …
Существует много областей применения для электрогенераторов малой мощности, способных работать автономно в отдаленных районах в течение длительного времени. Уровень их мощности колеблется от 5 Вт до 5 кВт, но особенный …
В условиях роста населения Земли и бурного развития энергетики [I] как основы технического прогресса, связанного с интенсивной разработкой, эксплуатацией и истощением природных энергетических ресурсов и, как следствие этого, с ощутимым …
msd.com.ua
Заявленное изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двухтактным свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве силовых установок для привода стационарных и мобильных машин. Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания содержит колебательные звенья с поршнями камер сгорания и объединенными с ними попарно поршнями гидроцилиндров и размещенные по обе стороны от них зеркально выполненными гидромашинами, роторы которых закреплены на одном валу. Колебательные звенья расположены вдоль вала и вокруг него. Изобретение обеспечивает повышение крутящего момента и КПД, уменьшение габаритов и веса. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двухтактным свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в качестве силовых установок для привода стационарных и мобильных машин.
Известны традиционные ДВС (четырех- и двухтактные), у которых наличие кривошипно-шатунного механизма (КШМ) обусловливает ряд непреодолимых отрицательных свойств, в числе которых: наличие большого числа вредных составляющих усилий и их реакций, вызывающих повышенный износ деталей, вибрацию и нагрев ДВС, неполное сгорание топливной смеси, что снижает КПД двигателя и обусловливает его значительные габариты и массу.
Известен дизель-гидравлический гибрид Jngocar (Журнал «Популярная механика» 2008 г.), в котором дизель закачивает текучую среду из бака в гидравлический аккумулятор, откуда подается на исполнительные механизмы. Однако существуют трудности в создании гидроаккумулятора большой емкости, а кроме того, при такой компоновке невозможно создать ДВС большой мощности с большим крутящим моментом и малыми габаритами.
Наиболее близким аналогом является изобретение «Силовая установка» Патент RU №2199672 (МПК7 F02B 71/04), опубликовано 27.02.2003 - прототип.
Силовая установка, согласно указанному патенту, содержит, по меньшей мере, по одному механизму с колебательным (возвратно-поступательно) свободнопоршневым с одним поршнем звеном и жестко связанным с ним гидроцилиндром через гидромагистрали, соединенными с гидромашиной, ротор которой жестко связан с валом.
Гидромашины установлены с зеркальным размещением рабочих элементов.
Недостатками указанного изобретения являются неполное сгорание топлива, малый КПД и большой объем занимаемого пространства.
Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности создания ДВС необходимой мощности с большими крутящим моментом и КПД, с малыми габаритами и весом и возможности использования различных видов топлива (жидкого и/или газообразного) с условием его полного сгорания.
Указанный технический результат достигается тем, что в свободнопоршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем колебательное звено с гидроцилиндрами и гидромашины, установленные с зеркальным размещением рабочих элементов и роторы которых закреплены на одном валу, колебательные звенья выполнены оппозитно и размещены параллельно валу, а гидромашины - на их противоположных сторонах перпендикулярно валу.
Кроме того:
- цилиндры сгорания с разноименными тактами размещены в направлении вращения вала;
- количество колебательных звеньев является четным;
- каждая пара цилиндров сгорания с разнофазными тактами объединена каналом перетока продуктов горения;
- канал перетока продуктов горения расположен тангенциально к цилиндрам;
- канал перетока продуктов сгорания снабжен регулятором количества перетока газов и устройством подачи топлива;
- гидроцилиндры снабжены гидроаккумуляторами с регулируемым давлением;
- корпуса колебательных звеньев объединены со статорами гидромашин, внутри которых размещены гидромагистрали;
- пусковая свеча установлена на одном из цилиндров;
- надпоршневые зоны гидроцилиндров соединены каналами.
Заявленное изобретение поясняется графическими материалами, где схематически представлена компоновочная схема наилучшего на сегодня исполнения свободнопоршневого ДВС в соответствии с заявляемым изобретением.
На фиг.1 представлен вид сбоку на ДВС в сечении А-А, на которой изображены:
цилиндр 1 камеры сгорания блока Н (ход сжатия)
поршни 1.1-1.2 камеры сгорания блока Н
цилиндр 2 камеры сгорания блока М (рабочий ход)
поршни 2.1- 2.2 камеры сгорания 2 блока М
гидроцилиндр левый 3 блока Н
гидроцилиндр правый 4 блока Н
поршень 5 левого гидроцилиидра блока Н
поршень 6 правого гидроцилиндра блока Н
шток 7 левой поршневой группы камеры сгорания блока Н
шток 8 правой поршневой группы камеры сгорания блока М
поршень 9 левого гидроцилиндра блока М
поршень 10 правого гидроцилиндра блока М
гидромашина левая 11
гидромашина правая 12
трубопровод 13 левой гидросистемы
трубопровод 14 правой гидросистемы
отверстия выхлопа 15.1-15.2 цилиндра 1 камеры сгорания блока Н
отверстия продувки 15.3-15.4 цилиндра 1 камеры сгорания блока Н
дыхательные отверстия 15.5-15.6 цилиндра 1 камеры сгорания блока Н
вал 16
маховик 17
свечи зажигания 18.1-18.2 цилиндров 1 и 2
трубопровод 19 топливной и горящей смеси
вентиль 20 объема топливной смеси
На фиг.2 представлен вид с торца на ДВС в сечении В-В, на которой изображены:
камера 21 гидромашины 12
ротор 22 гидромашины 12
шибер 23
шибер 24
каналы 25 и 26 гидромашины 12
обратные клапаны 27 и 28
полости давления 29 и 30
гидроаккумулятор 31
трубопроводы 32 гидроаккумулятора 31
На фиг.3 представлен вид ДВС в сечении С-С, на которой изображены:
цилиндры 1 и 2
трубопровод 19 топливной и горящей смеси
вентиль 20 объема топливной смеси.
Обратимся к фиг.1, на которой в сечении А-А изображены блок Н, включающий колебательные звенья (поршни 1.1 и 1.2. камеры сгорания 1, объединенные каждый штоками 7 и 8 с поршнями 5 и 6 гидроцилиндров 3 и 4 левой и правой поршневых групп) в режиме «рабочий ход» и блок М, включающий колебательные звенья (поршни 2.1 и 2.2 цилиндра 2, объединенные каждый штоками с поршнями 9 и 10 гидроцилиндров) в режиме «сжатие».
По обе стороны колебательных звеньев блоков Н и М размещены гидромашины 11 и 12, роторы которых выполнены зеркально, жестко установлены на одном валу 16, снабженном маховиком 17.
Цилиндры 1 и 2 снабжены свечами зажигания соответственно 18.1 и 18.2, отверстиями 15.1-15.2 выхлопа, отверстиями 15.3-15.4 продувки и дыхательными отверстиями 15.5-15.6 (на блоке М показаны без обозначений).
Надпоршневые области гидроцилиндров соединены каналами 13 и 14 для предотвращения «охлопывания» и синхронизации хода поршней 1.1-1.2 и 2.1 и 2.2.
Обратимся к фиг.2, на которой в сечении В-В изображена гидромашина 12 с размещенными в ее статоре ротором 22 в виде диска с впадинами, которые обеспечивают создание перемещающихся полостей давления 29 и 30 рабочего тела и каналами 25 и 26, снабженными обратными клапанами соответственно 27 и 28.
Для обеспечения постоянного заполнения рабочим телом, в качестве которого может быть использовано, например, масло для гидравлических систем или аналогичная по функциональному назначению жидкость, используется гидроаккумулятор 31 (устройство гидроаккумуляторов хорошо известны специалистам в области гидравлических систем), соединенный трубопроводами 32 с гидравлической системой.
Гидромашина снабжена шиберами 23 и 24, которые могут перемещаться при контакте с поверхностями ротора 12 и его впадин.
Свободные концы гидроцилиидров крепятся к статорам гидромашин 11 и 12.
Обратимся к фиг.3, на которой в сечении С-С изображены цилиндры 1 и 2 камер сгорания блоков Н и М, соединенные тангенциально трубопроводом 19 топлива и горящей смеси, снабженного вентилем 20 объема подачи топливной смеси.
В примере конкретного выполнения дана схема, содержащая четыре колебательных звена и две гидромашины, каждая из которых снабжена ротором с двумя впадинами. Однако ДВС может иметь большее (четное) количество колебательных звеньев, равномерно размещенных вокруг (продольно) вала, а роторы могут иметь большее количество впадин, что в совокупности обеспечивает увеличение до максимума крутящего момента, мощности и КПД ДВС.
Дополнительные устройства: для впрыска топлива, зажигания, смазки, продувки цилиндров не показаны, т.к. их функциональные и конструктивные варианты исполнения хорошо известны специалистам в этой области и могут быть выбраны для использования в предлагаемой конструкции ДВС.
Свободнопоршневой двухтактный двигатель внутреннего сгорания согласно приведенной схеме работает следующим образом.
С помощью одного из известных устройств, например электростартера, приводится во вращение вал, который, вращая роторы, с помощью шиберов вытесняет текучую среду из полостей, образованных впадинами ротора, в подпоршневую зону гидроцилиндров 3 и 4, поршни 5 и 6 гидроцилиндров через штоки 7 и 8 перемещают поршни 1.1 и 1.2 камеры сгорания блока Н, сближая их и производя тем самым такт «сжатие», по окончании которого производится поджиг топлива с помощью свечи зажигания 18.1, которое, сгорая, перемещает поршни 1.1 и 1.2, разводя их в противоположные стороны и осуществляя тем самым такт «рабочий ход», окончание которого изображено на фиг.1 блока Н, где отверстия 15.1 и 15.2 выхлопа и отверстия 15.3-15.4 продувки открыты.
Текучая среда, вытесненная из гидроцилиидров 3 и 4, перемещается в полость давления 29, вращая ротор (против часовой стрелки), при этом ранее находившаяся в этой полости текучая среда, вытесняемая шибером 24 по каналу 26, перемещается в подпоршневые полости гидроцилиндров блока М, производя такт «сжатие». Далее такты чередуются и вращают ротор 22 гидромашины 12 и синхронно зеркальный ему ротор гидромашины 11, установленный на другом конце вала 16, обеспечивая его вращение, т.е. работу двигателя в целом.
При одновременном движении поршней 1.1 и 1.2 цилиндра 1 блока Н навстречу друг другу (такт «сжатие») и друг от друга (такт «рабочий ход») в другом цилиндре 2 блока М на короткое время открывается доступ топливной смеси по трубопроводу 19 и часть горящих газов поступает из цилиндра 2 блока М в цилиндр 1 блока Н, увлекая за собой новую порцию топлива, количество которого регулируется вентилем 20 (форсунка или шибер).
Одновременно текучая среда, находящаяся в надпоршневых зонах гидроцилиндров блока Н, по каналам 13 и 14 перетекает в надпоршневые зоны соседних гидроцилиндров, перемещая их поршни 9 и 10 в противоположные стороны до открытия каналов выхлопа и продувки.
Топливная смесь подается в цилиндр I по касательной и интенсивно перемешивается, вследствие чего в конце такта «сжатие» смесь представляет собой гомогенизированную субстанцию, сгорающую наиболее эффективно.
Кроме того:
- минимальные зазоры между поршнями камеры сгорания в одном цилиндре при такте «сжатие» обеспечиваются расположением отверстий для перетока текучей среды из надпоршневой зоны одного гидроцилиндра в другой по трубопроводам левой 13 и правой 14 гидросистемы;
- степень сжатия регулируется гидроаккумулятором 31 с автоматическим регулятором давления, конструкция которого также хорошо известна специалистам в этой области.
Поступление горячего газа из цилиндра 1, в котором совершается такт «рабочий ход», в цилиндр 2 с тактом «сжатие» осуществляется по каналу 19, расположенному тангенциально по отношению к образующей цилиндров и снабженному регулятором 20 количества топлива.
При этом канал 19 расположен таким образом, что в цилиндре с тактом «рабочий ход» давление должно быть больше, чем давление в цилиндре, совершающем такт «сжатие».
Описанный цикл, многократно повторяясь, обеспечивает непрерывную работу ДВС. При этом возможно использование одной свечи зажигания только в одном цилиндре, т.к. в другом цилиндре топливо смешивается с догорающими газами.
Таким образом, может быть создан качественно новый ДВС с большими крутящим моментом и КПД, с малыми габаритами и весом и возможностью использования различных видов топлива (жидкого и/или газообразного) с условием его полного сгорания.
Например, ДВС, состоящий из четырех цилиндров, двух гидромашин, роторы которых закреплены на одном валу на противоположных сторонах колебательных звеньев и снабжены двумя впадинами каждый, при условии, что такт «рабочий ход» происходит одновременно в двух цилиндрах, расположенных диаметрально противоположно и каждый из которых содержит по два поршня, то на вал единовременно воздействуют усилия от четырех поршней при повороте на 90 градусов. Таким образом, при попарном воздействии за полный оборот в 360 градусов на вал будут воздействовать усилия от шестнадцати поршней, что позволит создать ДВС с очень большим крутящим моментом и мощностью с более рациональным использованием различных видов топлива.
Перечень графических обозначений
1 цилиндр камеры сгорания блока Н (ход сжатия)
1.1 и 1.2 - поршни камеры сгорания блока Н
2 - цилиндр камеры сгорания блока М (рабочий ход)
2.1 и 2.2 - поршни камеры сгорания блока М
3 - гидроцилиндр левый блока Н
4 - гидроцилиндр правый блока Н
5 - поршень левого гидроцилиндра блока Н
6 - поршень правого гидроцилиндра блока Н
7 - шток левой поршневой группы блока Н
8 - шток правой поршневой группы блока Н
9 - поршень левого гидроцилиндра блока М
10 - поршень правого гидроцилиндра блока М
11 - гидромашина левая
12 - гидромашина правая
13 - трубопровод левой гидросистемы
14 - трубопровод правой гидросистемы
15.1-15.2 - отверстия выхлопа камеры сгорания блока Н
15.3-15.4 - отверстия продувки камеры сгорания блока Н
15.5-15.6 - дыхательные отверстия блока Н
16 - вал
17 - маховик
18.1-18.2 - свечи зажигания цилиндров 1 и 2
19 - трубопровод топливной и горящей смеси
20 - вентиль объема топливной смеси
21 - камера гидромашины 12
22 - ротор гидромашины 12
23, 24 - шиберы
25, 26 - каналы гидромашины 12
27, 28 - обратные клапаны
29, 30 - полости давления
31 - гидроаккумулятор
32 - трубопроводы гидроаккумулятора
1. Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий колебательное звено с гидроцилиндрами и гидромашины, установленные с зеркальным размещением рабочих элементов, роторы которых закреплены на одном валу, отличающийся тем, что колебательные звенья выполнены оппозитно и размещены параллельно валу, а гидромашины - на их противоположных сторонах перпендикулярно валу.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что цилиндры сгорания с разноименными тактами размещены в направлении вращения вала.
3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что количество колебательных звеньев является четным.
4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая пара цилиндров сгорания с разнофазными тактами объединена каналом.
5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что канал расположен тангенциально к цилиндрам.
6. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что канал снабжен регулятором количества топлива.
7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что гидроцилиндры снабжены гидроаккумулятором с регулируемым давлением.
8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что корпуса колебательных звеньев объединены со статорами гидромашин, внутри которых размещены гидромагистрали.
9. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что пусковая свеча установлена на одном из цилиндров.
10. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что надпоршневые зоны гидроцилиндров соединены каналами.
www.findpatent.ru
 | Александр Агеев, 28 октября 2008. Фото: Sandia National Laboratories |
| Автопроизводители GM, Lotus и Volvo уделяют этому направлению наибольшее внимание. Первые автомобили, использующие новую технологию, ожидаются в конце 2010 года. |
Все согласны, что для снижения расхода топлива и токсичности выхлопа автомобилю нужно электричество. Но совсем отказаться от ДВС и пересесть на электрокары нам пока не по карману. Значит, нужен эффективный генератор тока на борту. Сегодня многие исследовательские организации и автопроизводители обращаются к предложенной ещё в 1920-х годах технологии мультитопливного свободнопоршневого двигателя.
В нынешней вариации — это оппозитный двухцилиндровый мотор с жёстко скреплёнными (без коленвала) поршнями. Его и предлагается использовать в качестве генератора. Для выработки постоянного тока в межпоршневом пространстве перемещаются магниты, а вокруг цилиндра расположена обмотка.
Свободнопоршневой двигатель способен работать на сверхбедной смеси (до 65 частей воздуха к одной части топлива) вместо так называемой стехиометрической — 14,7:1. Благодаря низким пиковым температурам выбросы самых вредных оксидов азота (NOx) близки к нулю.
Рабочий цикл в таком двигателе очень короткий. А за счёт небольшого количества подвижных частей КПД генератора при степени сжатия 30:1 стремится к 50% — это близко к КПД электрохимического генератора. А при увеличении степени сжатия (кстати, регулируемой) эффективность может быть ещё выше. К тому же установка оптимизируется для работы на чём попало: от водорода до солярки.
На данный момент большинство исследовательских групп находится на стадии компьютерного моделирования такого генератора. И только специалисты американской национальной лаборатории Sandia во главе с Питером Ван Блэриганом уже занимаются постройкой прототипа и рассчитывают создать работоспособный образец в течение года.
Это не похоже на компактный генератор — все процессы пока обкатываются на специальных стендах. Ван Блэриган говорит, что одна из главных особенностей — громкая работа мотора: быстрые взрывы трудно приглушить. Но самая большая проблема — контроль рабочего процесса. Для нормальной работы на разном топливе необходим активный механизм управления. Вопрос попробуют решить при помощи клапанов с электромагнитным управлением и высокопроизводительных «мозгов».
Ждём с нетерпением! Если проект ждёт удача, то свободнопоршневой генератор станет самым дешёвым и эффективным средством получения электричества. Использовать его можно будет и в паре с ДВС, и как источник автономного питания для электрокаров.
Поделиться
Поделиться
Лайкнуть
Твитнуть
Отправить
www.drive.ru
Исследования свободнопоршневых двигателей Била стимулировали изобретение в университете Калгари гибридной машины со свободным вытеснителем и кривошипно-шатунным приводом рабочего поршня. Свободнопоршневые двигатели заманчивы своей простотой. Однако если они не предназначены для работы в качестве насосов Или компрессоров, то затруднительно использовать энергию возвратно-поступательного движения его отдельных элементов, поскольку многие агрегаты приводятся в действие вращающимися валами.
Гибридная машина является попыткой объединить достоинства простой конструкции свободнопоршневого двигателя с распространенностью и большой применяемостью цилиндропоршневого блока и кривошипно-шатунного узла. Одна из привлекательных сторон гибридной машины заключается в том, что ее нижняя часть — рабочий поршень, цилиндр и кривошипно-шатунный механизм могут быть обычными узлами двигателей внутреннего сгорания. Имеющийся производственный опыт, сборочные приспособления и инструменты, а также различная арматура обычных двигателей внутреннего сгорания могут быть использованы и для гибридной машины, позволяя тем самым снизить стоимость двигателей Стирлинга до уровня, почти сравнимого со стоимостью других поршневых машин.
Схема поперечного сечения гибридного одноцилиндрового двигателя показана на рис. 10-5. Картер, коленчатый вал, шатун, цилиндр и рабочий поршень (часть двигателя ниже линии X—X) могут быть обычными узлами двигателей внутреннего сгорания, работающих на газообразном или жидком топливе. Для постановки газонепроницаемого уплотнения рабочий поршень изменен;
|
Рис. 10-5. Гибридный двигатель Стирлинга со свободным вытеснителем и кривошипно-шатун — ным приводом рабочего поршня 1 — полость расширения; 2 — вытеснитель; 3 — — теплозащитный экран; 4 — Уплотнение вытеснителя; о — полость сжатия; 6 — ■фиктивный поршень; 7 — уплотнение поршня; 8 — буферная полость. |
Он имеет удлиненный вертикальный стержень, являющийся в своей верхней части пустотелым штоком вытеснителя, на котором находится фиктивный поршень. Полость между фиктивным и рабочим порш-
|
Рис. 10-6. Прототип гибридного двигателя с использованием картера от серийно выпускаемого двигателя фирмы «Хонда». |
Нями соединена с внутренним объемом вытеснителя и вместе с ним составляет буферную полость. Рабочий объем — это объем в цилиндре выше фиктивного поршня; он подразделен (вытесни-
1 Эта машина динамически подобна свободнопоршневому двигателю и Дает возможность отводить полезную работу двигателя на вращающийся вал.
Телем) на полость сжатия (ниже вытеснителя) и полость расширения (над вытеснителем).
Двигатель работает точно так же, как и описанный выше сво — боднопоршневой двигатель Била. Легкий вытеснитель быстро реагирует на перепад давления между буферной и рабочей полостями. Рабочий поршень, коленчатый вал, маховик и шатун скомбинированы так, чтобы создать динамический эквивалент тяжелого поршня с большой инерцией, характерный для двигателя Била.
На рис. 10-6 показан опытный вариант гибридного двигателя, сконструированного в университете Калгари, в котором был использован обычный картер от серийно выпускаемого одноцилиндрового двигателя фирмы «Хонда» (Honda). Этот двигатель был куплен за 97 долл. в 1970 г., и, по крайней мере, половина его узлов была
|
Рис. 10-7. Схема гибридного двигателя Стирлинга, выполненная по типу обычных V-образных двигателей. 1 — камера сгорания; 2 — тепловая труба с жидкометаллическнм теплоносителем; 3 — тепловая изоляция; 4 — полость расширения; 5 — свободно движущийся вытеснитель; 6 — полость сжатия; 7 — поршень; 8 — система охлаждения; 9 — буферная полость. |
Заменена с целью приспособить его для работы в качестве преобразователя. До сих пор гибридный двигатель с электроподогревом не показал удовлетворительной работы из-за того, что после нескольких оборотов нарушается фазовое смещение поршней. Двигатель не имеет предпочтительного направления вращения и работает одинаково хорошо (или, возможно, плохо) при любом направлении вращения. Кроме того, на ранней стадии разработки двигатель имел неудовлетворительные характеристики при останове в одном направлении и повторном пуске в другом. Ожидается, что все эти проблемы по мере понимания работы двигателя будут разрешаться.
Общий вид возможного варианта гибридного двигателя показан на рис. 10-7, где дано поперечное сечение обычного двигателя внутреннего сгорания, выполненного по схеме V8 и переделанного в гибридный двигатель. В схеме предусмотрена общая камера сгорания (по типу камер авиационных двигателей), соединяемая с каждым из цилиндров тепловыми трубами с жидкометаллическнм теплоносителем. Буферные полости всех цилиндров объединеныв один общий объем. Для двигателя с номинальной мощностью 14,7— 22 кВт (20—30 л. е.), что составляет десятую часть мощности двигателя V8, рабочим телом может быть воздух с давлением в несколько атмосфер. Ожидается, что эффективный к. п. д. будет составлять примерно 20%.
Комментирование на данный момент запрещено, но Вы можете оставить
на Ваш сайт.
gazogenerator.com
Cтраница 3
Хотя этот вопрос рассматривается отдельно от стоимости, на самом деле стоимость изготовления прямо связана с технологичностью. Однако для большей четкости изложения удобнее рассмотреть вопросы, связанные с технологичностью, отдельно. Как видно из табл. 1.10, двигатель Стирлинга имеет большую стоимость, чем другие варианты автомобильных двигателей; составляющие этой стоимости приведены в табл. 1.12. Основная причина такой относительной дороговизны двигателя Стирлинга - использование высоколегированных сплавов для изготовления теплообменников. Допуски на обработанные поверхности деталей двигателя Стирлинга, как правило, более жесткие, что является следствием применения замкнутого рабочего цикла. Для свободнопоршневых двигателей Стярлинга качество механической обработки является, вероятно, наиболее важным требованием для обеспечения нормальной работы двигателя. [31]
В свободнопоршневых двигателях нет многих трудностей, связанных с уплотнениями, которые встречаются в двигателях с кривошипно-шатунным приводом. Так, например, нет проблемы уплотнения штоков, поскольку весь агрегат можно заключить в герметичный корпус, как это делается в линейных генераторах переменного тока и инерционных компрессорах. Однако остается проблема уплотнения поршня, хотя она и упрощается благодаря отсутствию значительных боковых сил и нагрузок на подшипники, поскольку нет механического привода, что позволяет применять в таких двигателях газовые подшипники. Применение газовых подшипников делает невозможным установку обычных эластичных колец, даже изготовленных из тефлона, поскольку микрочастицы, отделяющиеся при работе таких колец, выводят из строя эти подшипники. Поэтому в свободнопоршневых двигателях для уплотнения в цилиндре рабочего поршня и вытеснителя, а также уплотнения штока вытеснителя в рабочем поршне используют уплотнения за счет жестких допусков. Без сомнения, секрет успешной работы свободнопоршневых двигателей Стирлинга заключен в высоком качестве механической обработки. [32]
В любой ситуации желательно для начала построить несколько небольших двигателей для подтверждения самого принципа и получения определенного признания, с тем чтобы затем перейти к более серьезным разработкам. При этом следует постоянно помнить о так называемом брезентовом эффекте, открытом проф. Бил утверждает, что во всех лабораториях, занимающихся разработкой двигателя Стирлинга, имеется темный угол, где можно прикрыть брезентом плод любой неудачной попытки его создания. Размеры такого брезента пропорциональны амбиции конструктора или отсутствию у неп соответствующих знаний. Другими словами, благоразумнее всегда начинать с простого и малого, особенно когда это касается свободнопоршневых двигателей Стирлинга. [33]
КПД изменяется всего на 4 % в лучшем случае и на 10 % в худшем. КПД, представленный на рис. 1.74 6, именуется в публикации, из которой заимствованы эти зависимости, эффективным КПД. Наше утверждение основано на значениях КПД, которые были сообщены нам в частных беседах с изготовителями двигателей и лицами, эксплуатирующими такие двигатели. Результаты, представленные на этих графиках, типичны для двигателей с жестко связанными поршнями и для свободнопоршневых двигателей. В то же время двигатели Флюидайн имеют такие характеристики только в сухой модификации. В мокрой модификации влияние изменения температуры со стороны источника энергии носит несколько специфический характер, в основном из-за двухфазной и двухком-понентной природы рабочего тела в некоторых рабочих режимах. В ряде режимов определяющим является рабочий цикл с сухим воздухом в качестве рабочего тела, в других - рабочий цикл с парами жидкости. Неполнота эмпирических данных пока еще не позволяет сделать какие-либо общие выводы относительно рабочих характеристик Флюидайна. Большая часть имеющейся информации относится к мокрым Флюидайнам с реактивной струей и косвенным нагнетанием. Значительным количеством данных располагают также лаборатории Научно-исследовательского центра по атомной энергии ( Харуэлл, Англия), однако по коммерческим соображениям эти данные пока еще не доступны всем желающим. [34]
В свободнопоршневых двигателях нет многих трудностей, связанных с уплотнениями, которые встречаются в двигателях с кривошипно-шатунным приводом. Так, например, нет проблемы уплотнения штоков, поскольку весь агрегат можно заключить в герметичный корпус, как это делается в линейных генераторах переменного тока и инерционных компрессорах. Однако остается проблема уплотнения поршня, хотя она и упрощается благодаря отсутствию значительных боковых сил и нагрузок на подшипники, поскольку нет механического привода, что позволяет применять в таких двигателях газовые подшипники. Применение газовых подшипников делает невозможным установку обычных эластичных колец, даже изготовленных из тефлона, поскольку микрочастицы, отделяющиеся при работе таких колец, выводят из строя эти подшипники. Поэтому в свободнопоршневых двигателях для уплотнения в цилиндре рабочего поршня и вытеснителя, а также уплотнения штока вытеснителя в рабочем поршне используют уплотнения за счет жестких допусков. Без сомнения, секрет успешной работы свободнопоршневых двигателей Стирлинга заключен в высоком качестве механической обработки. [35]
Страницы: 1 2 3
www.ngpedia.ru
