RU2548704C1 - Method to optimise combustion product expansion process in pistons of free piston power unit with opposite piston movement connected to pistons of gas compressor with help of relief valves - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: method involves a control system, an external combustion chamber, two pistons with compressor cavities and an exhaust gas relief valve in each cylinder, according to the invention, the control system monitors the current pressure values of the combustion products supplied to the working cavity of the power unit piston from the external combustion chamber and pressure of air compressed in the compressor cavity of the same piston, basing on the above values the system determines the moment when to open the valve to bypass the exhaust gases from the compressor cavity of one piston to the compressor cavity of the other piston, the control system opens the valve to bypass the exhaust gases from the compressor cavity of one piston to the compressor cavity of the other piston, thus exhaust gases coming from the compressor cavity of one piston to the compressor cavity of the other piston via the above valve are mixed in the compressor cavity with the compressed air and the mixture of air and exhaust gases is supplied to the external combustion chamber.

EFFECT: invention allows for the optimisation of combustion product expansion process in pistons of free piston power unit with opposite piston movement connected to compressor pistons with the help of gas distribution valves.

1 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Изобретение относится к области энергомашиностроения.The invention relates to the field of power engineering.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

Ближайший прототип заявленного изобретения патент 2479733 «Способ увеличения эффективности процесса расширения продуктов сгорания перепуском воздуха между компрессорными полостями расширительных машин в свободнопоршневом двухцилиндровом энергомодуле с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором».The closest prototype of the claimed invention patent 2479733 "A method of increasing the efficiency of the process of expanding combustion products by air bypass between the compressor cavities of expansion machines in a free-piston two-cylinder power module with a common external combustion chamber and a linear electric generator."

Реферат патента 2479733. Изобретение относится к области энергомашиностроения. В способе увеличения эффективности процесса расширения продуктов сгорания перепуском воздуха между компрессорными полостями расширительных машин в свободнопоршневом двухцилиндровом энергомодуле с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором, включающим общую внешнюю камеру сгорания, две поршневые расширительные машины, линейный электрогенератор и систему управления, согласно изобретению система управления энергомодуля отслеживает текущие значения скорости и ускорения поршневой группы, давления продуктов сгорания в камере сгорания и рабочей полости, давление сжимаемого в компрессорной полости воздуха каждой расширительной машины энергомодуля, в соответствии с этими значениями определяет момент времени открытия перепускного клапана, обеспечивающего максимальное расширение продуктов сгорания в рабочей полости к моменту времени прибытия поршневой группы в противоположную крайнюю точку движения, и подает команду на открытие перепускного клапана, в результате чего сжатый в компрессорной полости воздух перетекает в другую компрессорную полость этой же расширительной машины. Изобретение обеспечивает повышение эффективности процесса расширения продуктов сгорания.Summary of the patent 2479733. The invention relates to the field of power engineering. In a method of increasing the efficiency of the process of expanding combustion products by air bypass between the compressor cavities of expansion machines in a free-piston two-cylinder energy module with a common external combustion chamber and a linear electric generator including a common external combustion chamber, two piston expansion machines, a linear electric generator and a control system, according to the invention, the energy module control system monitors the current values of the speed and acceleration of the piston group, the pressure of the products of combustion In the combustion chamber and the working cavity, the pressure of the energy module compressed in the compressor cavity of each expansion machine, in accordance with these values, determines the time of opening of the bypass valve, which ensures maximum expansion of the combustion products in the working cavity at the time of arrival of the piston group at the opposite extreme point of movement , and gives a command to open the bypass valve, as a result of which the compressed air in the compressor cavity flows into another compressor strip This same expansion machine. The invention provides an increase in the efficiency of the expansion process of combustion products.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯOBJECT OF THE INVENTION

Цель изобретения состоит в оптимизации процесса расширения продуктов сгорания газораспределительными клапанами в цилиндрах свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов.The purpose of the invention is to optimize the expansion of the combustion products by gas distribution valves in the free piston cylinders with the opposite movement of the pistons of the energy module connected to the pistons of the gas compression compressor.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания газораспределительными клапанами в цилиндрах свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов, поясняется на примере принципа его действия.A method for optimizing the expansion of combustion products by gas distribution valves in free piston cylinders with opposed pistons of the energy module connected to the pistons of a gas compression compressor is illustrated by the example of its principle of operation.

Система управления компрессором подает во внешнюю камеру сгорания 1 (система управления не показана) топливо форсункой 2 (см. чертеж) и воспламеняет свечой зажигания 3. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 по трубопроводу 4 через впускной клапан 5 поступают в правую (по фигуре) полость поршня 6 и через впускной клапан 7 в левую полость поршня 8, и под действием поступающих продуктов сгорания поршни начинают расходиться. Так как площадь правой поверхности поршня 6 больше площади его левой поверхности на разность площадей поперечного сечения штоков 9 и 10, то давление сжимаемого в левой полости поршня 6 воздуха больше, чем давление продуктов сгорания в его правой полости. Поэтому воздух из левой полости поршня 6 через обратный клапан 11 по трубопроводу 12 подается во внешнюю камеру сгорания 1. Туда же форсункой 2 впрыскивается очередная доза топлива. Одновременно через обратный клапан 13 из атмосферы засасывается воздух в правую полость поршня 14, а из его левой полости через выпускной клапан 15 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) выбрасывается в атмосферу. Аналогично по тем же причинам при движении поршня 8 сжимаемый в его правой полости воздух через обратный клапан 16 по трубопроводу 12 подается во внешнюю камеру сгорания 1. Через обратный клапан 17 из атмосферы засасывается воздух в левую полость поршня 18, а из его правой полости через выпускной клапан 19 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) выбрасывается в атмосферу. После достижения поршнями точек крайнего расхождения система управления переводит впускные клапаны 5, 7, 20 21 и выпускные клапаны 15, 19, 22, 23 в противоположные положения. Теперь продукты сгорания из внешней камеры сгорания 1 по трубопроводу 4 через впускной клапан 20 поступают в левую торцевую полость поршня 14 и через впускной клапан 21 в правую торцевую полость поршня 18, и поршни начинают сходиться. Через обратные клапаны 24 и 25 сжимаемый в правой полости поршня 14 и в левой полости поршня 18 воздух по трубопроводу 12 поступает во внешнюю камеру сгорания 1. Туда же форсункой 2 впрыскивается очередная доза топлива. Через обратные клапаны 26 и 27 из атмосферы засасывается воздух в левую полость поршня 6 и правую полость поршня 8. Из правой полости поршня 6 через выпускной клапан 22 и из левой полости поршня 8 через выпускной клапан 23 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) выбрасывается в атмосферу. Одновременно при расхождении поршней 6, 7, 14, 18 в полостях соединенных с ними поршней 28, 34 происходит сжатие различных газов - основная функция компрессора. Сжимаемый в левой полости поршня 28 газ через выпускной клапан 29 по трубопроводу 30 поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 33 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его правую полость. Соответственно сжимаемый в правой полости поршня 34 газ через выпускной клапан 35 также по трубопроводу 30 поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 36 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его левую полость. По достижению поршнями крайних точек расхождения система управления переводит выпускные клапаны 29, 35, 37, 38 в противоположные положения. Теперь сжимаемый в правой полости поршня 28 газ через выпускной клапан 37 по трубопроводу 30 поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 39 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его левую полость. Сжимаемый в левой полости поршня 34 газ через выпускной клапан 38 по трубопроводу 30 также поступает в радиатор 31, где охлаждается, и затем оттуда в ресивер 32, а через обратный клапан 40 газ от источника сжимаемого газа засасывается в его правую полость. Сжатый таким образом в компрессоре газ из ресивера 32 по трубопроводу 41 подается потребителю.The compressor control system delivers fuel to the external combustion chamber 1 (control system not shown) by the nozzle 2 (see the drawing) and ignites the spark plug 3. The combustion products from the combustion chamber 1 through the pipe 4 through the inlet valve 5 enter the right (according to the figure) cavity piston 6 and through the inlet valve 7 into the left cavity of the piston 8, and under the action of incoming combustion products, the pistons begin to diverge. Since the area of the right surface of the piston 6 is greater than the area of its left surface by the difference in the cross-sectional area of the rods 9 and 10, the pressure of the air compressed in the left cavity of the piston 6 is greater than the pressure of the combustion products in its right cavity. Therefore, air from the left cavity of the piston 6 through the non-return valve 11 through a pipe 12 is supplied to the external combustion chamber 1. The next dose of fuel is injected there by the nozzle 2. At the same time, air is drawn into the right cavity of the piston 14 from the atmosphere through a non-return valve 13, and air (hereinafter exhausted combustion products) is discharged into the atmosphere from the left cavity through the exhaust valve 15. Similarly, for the same reasons, when the piston 8 moves, the air compressed in its right-hand cavity through the check valve 16 is piped 12 to the external combustion chamber 1. Through the check valve 17, air is sucked into the left-hand cavity of the piston 18 from the atmosphere, and from the right-hand cavity through the exhaust valve 19 air (hereinafter exhaust combustion products) is released into the atmosphere. After the pistons reach the extreme divergence points, the control system translates the intake valves 5, 7, 20 21 and exhaust valves 15, 19, 22, 23 into opposite positions. Now, the combustion products from the external combustion chamber 1 through the pipe 4 through the inlet valve 20 enter the left end cavity of the piston 14 and through the inlet valve 21 into the right end cavity of the piston 18, and the pistons begin to converge. Through the check valves 24 and 25, the air compressed in the right-hand cavity of the piston 14 and in the left-hand cavity of the piston 18 passes through a pipe 12 to the external combustion chamber 1. The next dose of fuel is injected there by the nozzle 2. Through the check valves 26 and 27, air is drawn in from the atmosphere into the left piston cavity 6 and the right piston cavity 8. From the right piston cavity 6 through the exhaust valve 22 and from the left piston cavity 8 through the exhaust valve 23, air (hereinafter exhausted combustion products) is discharged into the atmosphere. At the same time, when the pistons 6, 7, 14, 18 diverge in the cavities of the pistons 28, 34 connected to them, various gases are compressed - the main function of the compressor. Compressed gas in the left cavity of the piston 28 through the exhaust valve 29 through a pipe 30 enters the radiator 31, where it is cooled, and then from there to the receiver 32, and through the check valve 33 the gas from the source of compressible gas is sucked into its right cavity. Accordingly, the gas compressed in the right cavity of the piston 34 through the exhaust valve 35 also passes through the pipe 30 to the radiator 31, where it is cooled, and then from there to the receiver 32, and through the check valve 36, the gas from the source of the compressed gas is sucked into its left cavity. When the pistons reach the extreme points of divergence, the control system translates the exhaust valves 29, 35, 37, 38 into opposite positions. Now, the gas compressed in the right cavity of the piston 28 through the exhaust valve 37 through a pipe 30 enters the radiator 31, where it is cooled, and then from there to the receiver 32, and through the check valve 39, the gas from the source of compressible gas is sucked into its left cavity. The gas compressed in the left cavity of the piston 34 through the exhaust valve 38 also passes through the pipe 30 to the radiator 31, where it is cooled, and then from there to the receiver 32, and through the check valve 40, the gas from the source of compressible gas is sucked into its right cavity. Thus compressed in the compressor gas from the receiver 32 through the pipe 41 is supplied to the consumer.

Поскольку поршни энергомодуля и компрессора движутся оппозитно, достаточно показать процесс оптимизации расширения продуктов сгорания в одном, например, в его левом цилиндре.Since the pistons of the energy module and compressor move opposite, it is enough to show the process of optimizing the expansion of combustion products in one, for example, in its left cylinder.

Итак, если при движении поршней справа налево рабочий цикл будет протекать по данному сценарию, преобразование энергии расширяющихся продуктов сгорания в кинетическую энергию поршней будет малоэффективно в силу того, что давление продуктов сгорания в правой полости поршня 6 на всем пути движения практически равно таковому во внешней камере сгорания 1. Расширение продуктов сгорания при этом в основном происходит только при выбросе их из цилиндра в конце пути поршней через выпускной клапан 22, не производя никакой полезной работы. Поэтому для повышения эффективности преобразования энергии необходимо организовать расширение продуктов сгорания непосредственно в цилиндре, в данном случае в правой полости поршня 6. Для этого при движении поршней 6 и 14 слева направо в результате поступления продуктов сгорания из внешней камеры сгорания 1 через впускной клапан 20 система управления отслеживает текущие величины давления продуктов сгорания в камере сгорания 1 и давления сжимаемого воздуха в правой компрессорной полости поршня 14. В соответствии с этими величинами система вырабатывает алгоритм определения момента времени открытия и закрытия перепускного клапана 42, обеспечивающий максимальное расширение продуктов сгорания в левой рабочей полости поршня 14 к моменту прибытия поршней в противоположную крайнюю точку движения, и в соответствии с алгоритмом подает команду на открытие перепускного клапана 42. В результате сжатый в правой компрессорной полости поршня 14 воздух перетекает в левую компрессорную полость поршня 6. Противодействие воздуха в правой компрессорной полости поршня 14 движению поршней резко уменьшается, способствуя процессу расширения продуктов сгорания в левой рабочей полости поршня 6. К этому моменту в левую компрессорную полость поршня 6 уже поступило некоторое количество воздуха из атмосферы через обратный клапан 26. Поступающий туда же через перепускной клапан 42 до определенной степени сжатый в правой полости поршня 6 воздух дополнительно заряжает левую компрессорную полость поршня 6 и засасывание воздуха из атмосферы через обратный клапан 26 прекращается. При этом энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха на данной фазе такта, также вместе с воздухом перебрасывается туда же и сообщает дополнительный импульс кинетической энергии поршням. Энергия на преодоление динамического сопротивления в обратном клапане 26 переносится на перепускной клапан 42. Процесс оптимизации расширения продуктов сгорания в правом цилиндре протекает аналогичным образом с помощью перепускного клапана 43.So, if, when the pistons move from right to left, the duty cycle will proceed according to this scenario, the conversion of the energy of the expanding combustion products into the kinetic energy of the pistons will be ineffective due to the fact that the pressure of the combustion products in the right cavity of the piston 6 along the entire travel path is practically equal to that in the external chamber combustion 1. The expansion of the combustion products in this case mainly occurs only when they are ejected from the cylinder at the end of the piston path through the exhaust valve 22, without producing any useful work. Therefore, to increase the efficiency of energy conversion, it is necessary to organize the expansion of the combustion products directly in the cylinder, in this case in the right cavity of the piston 6. For this, when the pistons 6 and 14 move from left to right as a result of the intake of combustion products from the external combustion chamber 1 through the intake valve 20, the control system monitors the current values of the pressure of the combustion products in the combustion chamber 1 and the pressure of the compressible air in the right compressor cavity of the piston 14. In accordance with these values, the system it develops an algorithm for determining the time of opening and closing of the bypass valve 42, which ensures maximum expansion of the combustion products in the left working cavity of the piston 14 by the time the pistons arrive at the opposite extreme point of movement, and, in accordance with the algorithm, gives a command to open the bypass valve 42. As a result, of the right compressor cavity of the piston 14, air flows into the left compressor cavity of the piston 6. The counteraction of air in the right compressor cavity of the piston 14 to the movement of the pistons res it decreases, contributing to the expansion of the combustion products in the left working cavity of the piston 6. At this point, a certain amount of air from the atmosphere through the check valve 26 has already arrived in the left compressor cavity of the piston 6. The incoming there through the bypass valve 42 is compressed to a certain extent in the right cavity piston 6, the air additionally charges the left compressor cavity of the piston 6 and the suction of air from the atmosphere through the check valve 26 stops. At the same time, the energy expended in compressing the air at a given phase of the clock stroke is also transferred there together with the air and gives an additional impulse of kinetic energy to the pistons. Energy to overcome the dynamic resistance in the check valve 26 is transferred to the bypass valve 42. The process of optimizing the expansion of the combustion products in the right cylinder proceeds similarly using the bypass valve 43.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания клапанами перепуска воздуха из компрессорной полости одного поршня в компрессорную полость другого поршня в цилиндрах свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов, включающего систему управления, внешнюю камеру сгорания, два поршня с компрессорными полостями и клапан перепуска выхлопных газов в каждом цилиндре, отличающийся тем, что система управления отслеживает текущие величины давления поступающих в рабочую полость поршня энергомодуля продуктов сгорания из внешней камеры сгорания и давления сжимаемого воздуха в компрессорной полости того же поршня и на основании этих величин вырабатывает алгоритм моментов времени открытия и закрытия клапана перепуска выхлопных газов из компрессорной полости одного поршня в компрессорную полость другого поршня, обеспечивающий поступление оптимальной массы выхлопных газов во внешнюю камеру сгорания, затем система управления открывает клапан перепуска выхлопных газов из компрессорной полости поршня одного поршня в компрессорную полость другого поршня, в результате чего поступающие через клапан перепуска выхлопных газов из компрессорной полости одного поршня в компрессорную полость другого поршня выхлопные газы смешиваются там со сжимаемым воздухом, и смесь воздуха с выхлопными газами поступает во внешнюю камеру сгорания.A method for optimizing the expansion of combustion products by the air bypass valves from the compressor cavity of one piston to the compressor cavity of another piston in free piston cylinders with opposed pistons of the energy module connected to the pistons of a gas compression compressor including a control system, an external combustion chamber, two pistons with compressor cavities and a valve exhaust gas bypass in each cylinder, characterized in that the control system monitors the current pressure values coming into the slave the piston cavity of the energy module of the combustion products from the external combustion chamber and the pressure of the compressible air in the compressor cavity of the same piston and, based on these values, develops an algorithm for the timing of the opening and closing of the exhaust gas bypass valve from the compressor cavity of one piston to the compressor cavity of the other piston, which ensures optimal mass of exhaust gases into the external combustion chamber, then the control system opens the exhaust gas bypass valve from the piston compressor cavity I put one piston into the compressor cavity of the other piston, as a result of which the exhaust gases coming through the exhaust gas bypass valve from the compressor cavity of one piston into the compressor cavity of the other piston are mixed there with compressed air, and the mixture of air and exhaust gases enters the external combustion chamber.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯTECHNICAL APPLICABILITY OF THE INVENTION

Затраты на НИОКР и производство заявленного изобретения не могут значительно отличаться от таковых при проектировании и отработке классических компрессоров.The costs of R&D and production of the claimed invention cannot differ significantly from those in the design and development of classical compressors.

ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛGRAPHIC MATERIAL

Фигура. Принципиальная схема свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов.Figure. Schematic diagram of a free piston with opposed movement of the pistons of the energy module connected to the pistons of a gas compression compressor.

1 - внешняя камера сгорания; 2 - форсунка; 3 - свеча зажигания; 4, 12, 30, 41 - трубопровод; 5, 7, 20, 21 - впускной клапан; 6, 8, 14, 18, 28, 34 - поршень; 9, 10 - шток; 11, 13, 16, 17, 24, 25, 26, 27, 33, 36, 39, 40 - обратный клапан; 15, 19, 22, 23, 29, 35, 37, 38 - выпускной клапан; 31 - радиатор; 32 - ресивер; 42, 43 - перепускной клапан.1 - external combustion chamber; 2 - nozzle; 3 - spark plug; 4, 12, 30, 41 - pipeline; 5, 7, 20, 21 - inlet valve; 6, 8, 14, 18, 28, 34 — piston; 9, 10 - stock; 11, 13, 16, 17, 24, 25, 26, 27, 33, 36, 39, 40 - non-return valve; 15, 19, 22, 23, 29, 35, 37, 38 - exhaust valve; 31 - a radiator; 32 - receiver; 42, 43 - bypass valve.

Claims (1)

Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания клапанами перепуска воздуха из компрессорной полости одного поршня в компрессорную полость другого поршня в цилиндрах свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов, включающего систему управления, внешнюю камеру сгорания, два поршня с компрессорными полостями и клапан перепуска выхлопных газов в каждом цилиндре, отличающийся тем, что система управления свободнопоршневого с оппозитным движением поршней энергомодуля, соединенных с поршнями компрессора сжатия газов, отслеживает текущие величины давления поступающих в рабочую полость поршня энергомодуля продуктов сгорания из внешней камеры сгорания и давления сжимаемого в компрессорной полости того же поршня воздуха, и на основании этих величин определяет момент времени открытия клапана перепуска выхлопных газов из компрессорной полости одного поршня в компрессорную полость другого поршня, система управления открывает клапан перепуска выхлопных газов из компрессорной полости поршня одного поршня в компрессорную полость другого поршня, в результате чего поступающие через клапан перепуска выхлопных газов из компрессорной полости одного поршня в компрессорную полость другого поршня выхлопные газы смешиваются в компрессорной полости со сжимаемым воздухом и смесь воздуха с выхлопными газами поступает во внешнюю камеру сгорания. A method for optimizing the expansion of combustion products by the air bypass valves from the compressor cavity of one piston to the compressor cavity of another piston in free piston cylinders with opposed pistons of the energy module connected to the pistons of a gas compression compressor including a control system, an external combustion chamber, two pistons with compressor cavities and a valve exhaust gas bypass in each cylinder, characterized in that the free-piston control system with the opposite movement of the pistons energy of the module connected to the pistons of the gas compression compressor, monitors the current pressure values of the combustion products coming into the working cavity of the piston of the energy module of the energy module from the external combustion chamber and the pressure of the air compressed in the compressor cavity, and on the basis of these values determines the time of opening of the exhaust gas bypass valve from the compressor cavity of one piston into the compressor cavity of the other piston, the control system opens the exhaust gas bypass valve from the compressor cavity of the piston one a first piston compressor piston of another cavity, whereby the incoming bypass exhaust gas through the valve from one piston compressor cavity in the cavity of another compressor piston exhaust gases are mixed in the compressor with compressible air chamber and the mixture of air and exhaust gases is supplied to an external combustor.