RU2229565C1 - Method of self-contained power supply of drive devices of construction and like machines - Google Patents

Abstract

FIELD: public services, timber industry, agriculture. SUBSTANCE: invention relates to drives of mobile construction and like machines, such as those used in public services, timber industry and agriculture. Invention provides separate or combined starting of all motors, including internal combustion engine, which is used to drive machine running gear, leaving all other functions to other motors of said multimotor pneumogas drive. Proposed system includes internal combustion engine and motors of working members with common supply from bottled compressed gas system with delivery of high-pressure gas into working member motors. Gas at low pressure passes from working members either into used gas receiver with subsequent restoration to high-pressure state by passing the gas through multistage heat compressor, of for preparation of gas-motor fuel for internal combustion engine. EFFECT: possibility of separate or combined starting of all motors and internal combustion engine. 2 cl, 1 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к приводу в основном мобильных строительных и подобных им машин: коммунальных, лесозаготовительных, сельскохозяйственных и т.п.The invention relates to the drive of mainly mobile construction and similar machines: utility, forestry, agricultural, etc.

Современные строительные машины в стационарном исполнении имеют электрический, и при своей сложности, многомоторный (многодвигательный) привод, а передвижные машины - многомоторный дизель-гидравлический привод [1]. В последнем случае схема привода получается конструктивно более сложной. Главенствующая роль в ней принадлежит двигателю внутреннего сгорания (ДВС) - это, образно говоря, “матка”, обеспечивающая работу всех остальных двигателей привода рабочих органов (РО) машины. Без него невозможно запустить ни один из вторичных двигателей. И в этом проявляется определенный недостаток дизель-гидравлического привода по сравнению с многомоторным электрическим. Второй недостаток многомоторного привода от ДВС состоит в нестабильности загрузки последнего на разных стадиях цикла работы машин.Modern construction machines in stationary design have an electric, and with their complexity, multi-motor (multi-engine) drive, and mobile machines have a multi-engine diesel-hydraulic drive [1]. In the latter case, the drive circuit is structurally more complex. The dominant role in it belongs to the internal combustion engine (ICE) - this is, figuratively speaking, the “uterus”, which ensures the operation of all other drive motors of the working bodies (RO) of the machine. Without it, it is impossible to start any of the secondary engines. And this shows a certain drawback of the diesel-hydraulic drive compared to multi-engine electric. The second disadvantage of a multi-motor drive from an internal combustion engine is the instability of loading the latter at different stages of the cycle of machines.

Поясним это на примере работы скрепера [1], наиболее тяжелая стадия цикла работы которого - это копание грунта с набором его в ковш. Для скрепера емкостью ковша 10-15 м³ работа на этой стадии продолжается всего 3-4 минуты, за которые надо максимально “выложиться”, иначе при неполном наборе грунта дальнейшая чисто транспортная стадия работы машины уже ничего “не добавит” и весь рабочий ее цикл будет непроизводительным. В связи с этим при проектировании скреперов установленную мощность ДВС выбирают именно по копанию и тем самым работу по достижению заданной производительности выдерживают. Но в то же время проигрывают в вопросе полного использования мощности ДВС в транспортных стадиях работы скрепера, в особенности при передвижении его в незагруженном грунтом состоянии, когда при большой базе машины и плохом состоянии подвозных грунтовых дорог развивать повышенные скорости передвижения, даже при потенциальных возможностях ходового двигателя, не представляется возможным.Let us explain this with the example of the work of the scraper [1], the most difficult stage of the cycle of which is digging the soil with a set of it in the bucket. For a scraper with a bucket capacity of 10-15 m ^3, work at this stage lasts only 3-4 minutes, for which it is necessary to “give everything out”, otherwise with an incomplete collection of soil the further purely transporting stage of the machine’s operation will not “add” anything and its entire working cycle will be unproductive. In this regard, when designing scrapers, the installed power of the internal combustion engine is chosen precisely by digging, and thus they withstand the work to achieve the given performance. But at the same time, they are losing out on the issue of the full use of ICE power in the transport stages of the scraper’s operation, especially when moving it in an unloaded condition, when with a large base of the car and poor condition of the dirt roads, to develop increased speeds, even with the potential capabilities of the propulsion engine , does not seem possible.

В связи с этим актуальной задачей данного изобретения является разработка такой системы автономного энергообеспечения строительных машин (СМ), при которой ДВС был бы связан только с механизмом передвижения машины, а все остальные приводные устройства ее РО имели бы свой источник энергообеспечения, а следовательно, были бы независимыми от ДВС. Иными словами, ставится задача замены существующего дизель-гидравлического привода на иной привод, по своим достоинствам приближающийся к многомоторному электрическому, у которого все двигатели можно включать в работу по отдельности в любой последовательности или совместно и когда выбор установленной мощности каждого двигателя определяется условием только его максимальной загрузки. Причем все это надо выполнить при уже устоявшихся конструкциях самих двигателей - ДВС, цилиндров возвратно-поступательного действия и вращателях.In this regard, the urgent task of this invention is to develop such a system of autonomous energy supply of construction machines (SM), in which the internal combustion engine would be connected only with the mechanism of movement of the machine, and all other drive devices of its RO would have their own source of energy supply, and therefore, would independent of ICE. In other words, the task is to replace the existing diesel-hydraulic drive with a different drive, which in its advantages approaches a multi-engine electric one, in which all engines can be individually switched on in any sequence or together and when the choice of installed power of each engine is determined only by its maximum downloads. Moreover, all this must be done with the already established designs of the engines themselves - ICE, reciprocating cylinders and rotators.

Решение поставленной задачи может быть достигнуто только при успешном выборе энергоносителя для всех упомянутых и разных по конструкции и принципу действия двигателей.The solution of this problem can be achieved only with a successful choice of energy carrier for all the engines mentioned above and different in design and operation principle.

И здесь в первую очередь следует обратить внимание на использование природного газа. По его применению в качестве газомоторного топлива (ГМТ) для ДВС в чисто транспортных средствах уже накоплен определенный опыт [2]. Причем природный газ как топливо может использоваться в трех видах: в сжиженном состоянии (СПГ), с помощью газогидратных образований и в виде компримированного газа (КПГ). СПГ хранится при давлениях, близких к атмосферному, а поэтому потенциальной энергией газового расширения, необходимой для привода цилиндров и вращателей, не обладает. Возможность использования газогидратных образований стала известно совсем недавно (заявка №2000110447/06 от 27.04.2000 по кл. F 02 B 43/00). Сущность этого нововведения состоит в использовании метана, растворенного в водяном льду при кристаллизации воды, причем газ на транспортном средстве получается благодаря плавлению или растворению газогидратного льда. Отсюда ясно, что это опять же может быть использовано только в качестве топлива для ДВС и не более. И остается только КПГ. Опыт использования его в качестве ГМТ для чисто транспортных средств составляет уже несколько десятилетий. Это наиболее доступное средство энергопитания дизелей, имеющее, правда, и определенный недостаток - значительно меньшую по сравнению с СПГ компактность при баллонном своем содержании. Чтобы уменьшить этот недостаток, стремятся увеличить давление КПГ в баллонах. В настоящее время оно составляет 20 мПа, однако имеются промышленные разработки на 40 мПа. Такой подход существенно повысит беззаправочный пробег машины и снизит габаритность и вес ее ГРС (газораспределительной системы), однако в то же время еще более уменьшит КПД использования самого КПГ как энергоносителя. Дело в том, что для питания дизелей нужно газ разряжать до давления, близкого к атмосферному, в результате чего КПГ, вышедший из ГБС (газобаллонная система), проходя через редукционную систему двигателя и переходя тем самым в состояние ГМТ, попросту теряет заключенную ранее в баллонах потенциальную энергию расширения, причем теряет впустую, ибо полезно ее расходовать в чисто транспортных средствах (автомобилях) фактически не на что. А вот в СМ есть на что и КПГ для СМ - это гораздо более значимое, чем КПГ для автомобилей. И возникает интересная ситуация: самоходная СМ конструктивно сложнее любого автомобиля, но условия использования на ней КПГ более благоприятны и главное - несравненно более экономичны, если их относить к суммарной мощности всех установленных на машине двигателей.And here, first of all, attention should be paid to the use of natural gas. According to its use as a gas engine fuel (gas engine fuel) for ICE in purely vehicles, some experience has already been accumulated [2]. Moreover, natural gas as a fuel can be used in three types: in a liquefied state (LNG), using gas hydrate formations and in the form of compressed gas (CNG). LNG is stored at pressures close to atmospheric, and therefore does not possess the potential gas expansion energy needed to drive cylinders and rotators. The possibility of using gas hydrate formations has recently become known (application No. 2000110447/06 of 04/27/2000, class F 02 B 43/00). The essence of this innovation is the use of methane dissolved in water ice during crystallization of water, and the gas on the vehicle is obtained by melting or dissolving gas hydrated ice. From this it is clear that this again can only be used as fuel for internal combustion engines and no more. And there remains only the KKE. The experience of using it as a gas turbine for pure vehicles has been several decades. This is the most affordable means of power supply of diesel engines, which, however, has a certain drawback - its compactness is much lower compared to LNG with its balloon content. To reduce this disadvantage, they seek to increase the CNG pressure in the cylinders. Currently, it is 20 MPa, but there are industrial developments at 40 MPa. This approach will significantly increase the refueling mileage of the machine and reduce the overall size and weight of its gas distribution system (gas distribution system), but at the same time it will further reduce the efficiency of using CNG itself as an energy carrier. The fact is that in order to power diesel engines it is necessary to discharge gas to a pressure close to atmospheric, as a result of which CNG escaping from the cylinder head system (gas system), passing through the engine reduction system and thereby passing into the GMT state, simply loses the previously stored gas tanks potential expansion energy, and loses it in vain, because it is useful to spend it in purely vehicles (cars) in fact nothing. But in SM there is something and CNG for SM - it is much more significant than CNG for cars. And an interesting situation arises: a self-propelled SM is structurally more complicated than any car, but the conditions for using CNG on it are more favorable and most importantly, they are incomparably more economical if they are referred to the total power of all engines installed on the machine.

Из сказанного можно сделать важный вывод: все приводные устройства СМ могут иметь единое энергообеспечение от ГБС с КПГ, по при разном физическом состоянии энергоносителя: при высоком его напоре воздействовать на двигатели РО и, уже сбросив там давление, переходить в состояние ГМТ для ДВС. При этом сама СМ конструктивно может быть перекроена под схему привода, близкую к идеальной - многомоторной электрической. И ДВС уже не будет основным ведущим двигателем, а двигатели РО вторичными и им ведомыми. Все двигатели, как в электроприводе, будут равноправными.From the foregoing, an important conclusion can be drawn: all SM drive devices can have a single power supply from GBS with CNG, according to the different physical state of the energy carrier: with a high pressure, affect RO engines and, having already relieved pressure there, switch to the gas-turbine engine condition. At the same time, the SM itself can be structurally redrawn for a drive circuit close to ideal - a multi-motor electric one. And ICE will no longer be the main driving engine, and the RO engines are secondary and driven by it. All engines, as in an electric drive, will be equal.

Итак, речь идет о преобразовании принятого за прототип широко распространенного дизель-гидравлического многомоторного привода [1] при питании его дизеля от КПГ [2] в многомоторный пневмогазовый привод с дизелем, т.е. ДВС добавляется здесь уже как бы “в придачу”. Предложенный способ автономного энергообеспечения приводных устройств СМ поясняется схемой, приведенной на чертеже, где представлены: ГБС в виде нескольких основных баллонов сжатого газа, сборного ресивера использованного газа и резервного баллона, система управления пневмоприводами СМ (СУПрСМ), сами пневмоприводы в виде пневмоцилиндров и пневмовращателей, многоступенчатый тепловой компрессор (МТК), ДВС и трубопроводы газовых коммуникаций с запорными вентилями и редукторами, каждая совокупность положений которых соответствует определенному режиму работы данной системы. При этом запорным вентилям B_i и редукторам P_i присвоен порядковый номер (i=1,2,3…), определяющий их положение на трубопроводах. Каждый из этих элементов может находиться в двух положениях: “О” - открыт; “З” - закрыт. Так, к примеру, обозначение “В₃З” говорит о том, что вентиль №3 закрыт.So, we are talking about converting the widely accepted diesel-hydraulic multi-motor drive [1] adopted as a prototype when powering its diesel from CNG [2] to a multi-engine pneumogas drive with a diesel engine, i.e. ICE is added here as if “in addition”. The proposed method for the autonomous power supply of SM drive devices is illustrated by the diagram shown in the drawing, which shows: cylinder head in the form of several main cylinders of compressed gas, a pre-assembled receiver of used gas and a reserve cylinder, the SM pneumatic actuator control system (SUPrSM), the pneumatic actuators themselves in the form of pneumatic cylinders and pneumatic rotators, multistage thermal compressor (MTK), ICE and gas pipelines with shut-off valves and gearboxes, each set of positions of which corresponds to a specific Jelenia mode of operation of the system. At the same time, shutoff valves B _i and gearboxes P _{i are} assigned a serial number (i = 1,2,3 ...), which determines their position on the pipelines. Each of these elements can be in two positions: “O” - open; “Z” - closed. So, for example, the designation “B ₃ Z” indicates that valve No. 3 is closed.

В предложенную систему включен МТК, по кл. МКИ F 04 B 19/24, его назначение - повышать давление уже использованного в пневмодвигателях газа для повторного его применения в тех же целях. Присутствие МТК становится необходимым, если данная система работает без ДВС. При работающем ДВС МТК может и отсутствовать. В этом случае весь газ низкого давления, прошедший через пневмодвигатели РО, сразу же будет направлен к ДВС. И все же отсутствие МТК в предложенной системе сужает широту режимности ее использования и общую эффективность - ведь МТК работает также от тепла сгорания газа. Предложенная энергосистема имеет следующие режимы ее функционирования:The proposed system includes MTK, according to cl. MKI F 04 B 19/24, its purpose is to increase the pressure of gas already used in air motors for re-use for the same purpose. The presence of MTK becomes necessary if this system works without ICE. With the internal combustion engine running, the MTK may not be available. In this case, all the low-pressure gas passing through the air motors of the RO will immediately be directed to the internal combustion engine. Nevertheless, the absence of MTK in the proposed system narrows the breadth of regimen of its use and overall efficiency - because MTK also works from the heat of gas combustion. The proposed power system has the following modes of its operation:

1. Работа ДВС без пневмоприводов;1. The operation of the internal combustion engine without pneumatic drives;

2. Работа ДВС и пневмоприводов;2. The operation of internal combustion engines and pneumatic drives;

3. Работа (кратковременная) пневмоприводов без работы ДВС;3. Work (short-term) of pneumatic drives without ICE;

4. Работа пневмоприводов без работы ДВС и с использованием МТК;4. The operation of pneumatic drives without the operation of ICE and using MTK;

5. Работа ДВС и пневмоприводов с использованием МТК;5. The operation of ICE and pneumatic drives using MTK;

6. Полное опорожнение газовых баллонов в ДВС;6. Complete emptying of gas cylinders in the internal combustion engine;

7. Заправка газовых баллонов от заправщика КПГ. Достижение указанных режимов работы в зависимости от положений вентилей и редукторов иллюстрируется таблицей.7. Filling gas cylinders from a CNG refueling tank. The achievement of these operating modes depending on the position of the valves and gears is illustrated in the table.

Особый интерес представляют режимы 3 и 4, при которых, подключая к коленвалу ДВС уже работающий вращатель, прокручивают тем самым дизель “сзади”, а уже потом переходят на режимы 1, 2, 5. И это тоже существенное техническое достижение, облегчающее запуск дизеля в холодное время.Of particular interest are modes 3 and 4, in which, by connecting an already working rotator to the ICE crankshaft, the diesel engine is scrolled “behind”, and only then they switch to modes 1, 2, 5. And this is also a significant technical achievement, which facilitates starting the diesel engine in cold time.

В предложенной энергосистеме при замене гидропривода на пневмопривод отпала необходимость в установке дорогостоящих и капризных при своей эксплуатации гидронасосов. Гидрораспределители заменены на пневмораспределители. Количество силовых цилиндров сохранилось, количество вращателей пополнилось еще одним, кинематически связанным с коленвалом ДВС, но это опять же то, что весьма полезно.In the proposed power system, when replacing a hydraulic actuator with a pneumatic actuator, there was no need to install expensive and whimsical hydraulic pumps during their operation. Hydrodistributors are replaced by pneumatic distributors. The number of power cylinders has been preserved, the number of rotators has replenished with another kinematically connected with the ICE crankshaft, but this is again something that is very useful.

Полагаем, что данное техническое решение в полной мере соответствует всем критериям изобретения.We believe that this technical solution fully meets all the criteria of the invention.

Отметим, что из технической и патентной литературы не известно применения в СМ высоконапорного пневмопривода их РО и тем более использования для этих целей КПГ. Известна лишь низконапорная (до 0,6 мПа) система пневмоуправления. Но эти вещи сопоставимы лишь по присутствию в них слова “пневмо” и не более. Все это позволяет утверждать, что данное предложение обладает мировой новизной.It should be noted that from the technical and patent literature it is not known to use a high-pressure pneumatic drive of their RO in SM and, all the more, to use CNG for these purposes. Only a low-pressure (up to 0.6 MPa) pneumatic control system is known. But these things are comparable only by the presence in them of the word "pneumatic" and no more. All this suggests that this proposal has a world novelty.

Использование для всех двигателей единого энергоносителя от КПГ и возможность так называемого “обратного” их запуска - вначале двигателей РО, а потом уже и ДВС - это совершенно новый взгляд на решаемую проблему и в этом проявляется критерий “изобретательский уровень”.The use for all engines of a single energy carrier from CNG and the possibility of the so-called “reverse” start-up of them - first the RO engines, and then the ICE, is a completely new look at the problem being solved, and the “inventive step” criterion is manifested in this.

Критерий “промышленная применимость” подтверждается возможностью технической осуществимости данного способа и его технико-экономическими достоинствами, которые проявляются в следующем:The criterion of "industrial applicability" is confirmed by the possibility of technical feasibility of this method and its technical and economic advantages, which are manifested in the following:

- в повышении КПД использования самого энергоносителя КПГ - вначале его разряжают в пневмодвигателях РО, а уже оттуда направляют для использования в качестве ГМТ для ДВС;- to increase the efficiency of using the CNG energy carrier itself - at first it is discharged in the air motors of the RO, and from there it is sent for use as a gas turbine for ICE;

- в работе предложенной системы энергопитания приводов на различных режимах, в том числе осуществляющих полную функциональную независимость двигателей РО от ДВС;- in the work of the proposed power supply system of drives in various modes, including those that ensure complete functional independence of the engines from the internal combustion engine;

- в возможности частичного восстановления высоконапорного энергоносителя из газа низкого давления за счет его пропуска через МТК;- the possibility of partial recovery of the high-pressure energy carrier from low-pressure gas due to its passage through the MTK;

- в новых принципах проектирования СМ, когда ДВС становится рядовым двигателем и его кинематически связывают только с механизмом передвижения машины, а все остальное обслуживается независимыми от ДВС самостоятельными пневмодвигателями.- in the new principles of designing SM, when an internal combustion engine becomes an ordinary engine and it is kinematically connected only with the mechanism of movement of the machine, and everything else is serviced by independent pneumatic engines independent of the internal combustion engine.

Последнее является, пожалуй, самым важным и принципиально новым достоинством предложенного способа.The latter is perhaps the most important and fundamentally new advantage of the proposed method.

ЛитератураLiterature

1. С.С.Добронравов. Строительные машины и оборудование. Справочник. - М.: Высшая школа, 1991 г.1. S. S. Dobronravov. Construction machinery and equipment. Directory. - M .: Higher school, 1991

2. Ю.Н.Васильев и др. Транспорт на газе. - М.: Недра, 1992 г.2. Yu.N. Vasiliev and others. Transport on gas. - M .: Nedra, 1992

Claims (2)

1. Способ автономного энергообеспечения приводных устройств строительных и подобных им машин путем трубопроводной подачи энергоносителей для питания основного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и двигателей привода рабочих органов (РО) машины, отличающийся тем, что работу всех приводных устройств осуществляют от единого источника энергопитания, в качестве которого выбирают размещаемый на машине в газобаллонной системе компримированный природный газ, который через управляемые запорные вентили подают совместно или по отдельности в любой последовательности на двигатели приводов РО и ДВС, причем газ низкого давления, уже прошедший через двигатели РО, при отсутствии надобности в его немедленном дальнейшем применении в качестве газового топлива для ДВС, направляют в ресивер использованного газа, откуда забирают его с повышением давления (например, через многоступенчатый тепловой компрессор) и подают в резервный баллон повторно сжатого газа.1. The method of autonomous power supply of drive devices of construction and similar machines by piping energy sources to power the main internal combustion engine (ICE) and drive motors of the working bodies (RO) of the machine, characterized in that the operation of all drive devices is carried out from a single power source, the quality of which is chosen to be compressed natural gas placed on a machine in a gas-cylinder system, which, through controlled shut-off valves, is supplied together or separately to any sequence to the engines of the RO and ICE drives, and the low-pressure gas that has already passed through the RO engines, in the absence of the need for its immediate further use as gas fuel for the ICE, is sent to the receiver of used gas, from where it is taken up with increasing pressure (for example, through a multi-stage heat compressor) and fed into the reserve cylinder of re-compressed gas. 2. Способ энергообеспечения приводных устройств по п.1, отличающийся тем, что в холодное время запуск ДВС облегчают подключением к его коленвалу уже работающего пневмовращателя.2. The energy supply method of the drive devices according to claim 1, characterized in that in cold weather the start of the internal combustion engine is facilitated by connecting an already operating air rotator to its crankshaft.