Одноступенева поршнева газова машина та спосіб регулювання її роботи

1 Поршневий двигун внутрішнього згоряння, що містить циліндр, поршень, впускний та випускний клапани і вузол управління клапанами, який відрізняється тим, що двигун має камерутеплообмінник, з'єднану з циліндром додатковими трубопроводом та керованим клапаном 2 Поршневий одноступеневий компресор, що містить циліндр, поршень, впускний та випускний клапани і вузол управління клапанами, який відрізняється тим, що компресор має камерутеплообмінник, з'єднану з циліндром додатковими нижнім та верхнім трубопроводами та керованими клапанами 3 Спосіб регулювання роботи одноступеневої поршневої газової машини шляхом зміни температури робочого тіла у циліндрі у такті стиску, який відрізняється тим, що зміну температури робочого тіла у циліндрі у такті стиску здійснюють на будь-якому обраному відрізку такту стиску, здійснюючи на цьому відрізку газове з'єднання циліндра поршневої машини з додатковою камерою-теплообмінником О Винахід відноситься до способів регулювання роботи одноступінної поршневої газової машини та пристроям для його реалізації, та може бути використаним у машинобудівній промисловості Об'єктами, до котрих може бути застосований винахід є поршневі двигуни внутрішнього згорання, поршневі компресори ВІДОМІ способи регулювання роботи одноступінної поршневої газової машини (1, 2, 3, 4) Так, в відомому способі регулювання роботи компресора в такті стиску шляхом зміни температури робочого тіла відбувається шляхом теплообміну крізь стінку циліндра, поршень та кришку циліндра (1, стор 165, 2, стор, 353) Основним недоліком цього способу є обмежена можливість теплообміну крізь внутрішню поверхню компресора, що не дає можливість підвищувати ступінь підвищення тиску більш, як у 4 - 8 разів (2, стор 354) Крім того, цей спосіб не дозволяє здійснити зміну температури на будь якому відрізку такту стиску Другим відомим способом регулювання роботи поршневої газової машини шляхом зміни температури робочого тіла у такті стиску є спосіб регулювання роботи компресора шляхом застосування двухступшного стиску з проміжним теплообмінником (2, стор 354), Недоліком цього способу є складність конструкції пристрою для його реалізації — необхідність додання другої ступені компресора Найбільш близьким до запропонованого способу є відомий спосіб регулювання роботи поршневої машини (двигуна внутрішнього згорання ДВЗ) шляхом виконання у такті стиску попереднього стиску та охолодження подаваємої суміші у холодильнику (3, стор 58) Основними недоліками цього відомого способу є, складність конструкції необхідність організації турбонаддуву, неможливість регулювання роботи на будьякому відрізку такту стиску Для усунення цих недоліків пропонується спосіб регулювання одноступінної газової машини шляхом зміни температури робочої суміші у такті стиску, де зміна температури робочої суміші відбувається на будь-якому (вибраному із необхідних техніко-економічних показників машини) відрізку такту стиску, виконуючи на цьому відрізку змішування робочого тіла з температурою Т-і, з циліндра поршневої машини, яке набране ю ю 57594 через впускний клапан, з робочим тілом з температурою Тг із додаткової камери теплообмінника, яке впускається у робочий циліндр через додатковий клапан, що відкривається на початку вибраного відрізка такту стиску (тиск у додатковій камері-теплообміннику створюється та підтримується роботою цієї поршневої машини), а потім виконується спільне, до закриття впускного клапана, стискання у циліндрі та додатковій камері-теплообміннику робочої суміші, після закриття впускного клапану, процес стискання робочої суміші у циліндрі відбувається до ВМТ Істотною ознакою способу, який пропонується, є зміна індикаторної діаграми такту стиску порівняно з процесом адіабатичного або політропічного стиску, який відбувається у існуючих аналогах та прототипах На фіг 1 відображені P-V діаграми такту стиску повітря у поршневої газової машини (показник адіабати дорівнює 1 41), де а-діаграма звичайної поршневої машини, б - діаграма поршневої машини з регулюванням ( охолодженням ) на відрізку від Vo до V1 = Vo/2 Як можна бачити з наведених діаграм, є можливість, застосовуючи запропонований спосіб регулювання, змінити температуру, і внаслідок також і тиск у такті стиску одноступінної поршневої машини При цьому з'являється можливість для одноступінної поршневої машини при однаковій ступені стиску зменшити температуру і тиск у ВМТ і за рахунок цього зменшити роботу такту стиску Реалізація наведеного способу регулювання роботи одноступінної газової машини може бути виконана різними пристроями, залежно від типу поршневої машини (двигуни внутрішнього згорання, поршневі компресори та ін ) ВІДОМІ конструкції поршневих двигунів внутрішнього згорання (ДВЗ) з ЗОВНІШНІМ утворенням робочої суміші та з регулюванням роботи шляхом змінення температури у такті стиску, Найбільш близьким за своєю технічною суттю (прототип) є ДВЗ з наддувом і проміжним охолодженням суміші (3, стор 15, 58) Ці машини мають такі недоліки низьку ступінь стиску у циліндрі, складність конструкції, необхідність турбіни, а задля виконання циклів з продовженим розширенням необхідна турбіна з роботою на вал, зниження ККД при роботі із зниженим навантаженням З ціллю усунення зазначених недоліків пропонується пристрій двигуна внутрішнього згорання з ЗОВНІШНІМ утворенням робочої суміші, яке складається з циліндра з впускними і випускними клапанами та вузла управління їм (клапанами) та додатково має камерутеплообмінник, яка охолоджується та з'єднана трубопроводом та додатковим клапаном з робочим циліндром На фіг 2 наведено поршневий двигун внутрішнього згорання з камероютеплообмінником (де 1 - поршень, 2 - робочий циліндр, 3 - клапан впускний, 4 - клапан випускний, 5 - додатковий керований клапан, 6 з'єднувальний трубопровід, 7 камера теплообмінник, 8 - вузол управління клапанами) Робота запропонованої газової машини у стаціонарному режимі відбувається таким способом (фіг 2) Після впуску свіжої робочої суміші у робочий циліндр 2 через впускний клапан З та його закриття, клапани 3 та 4 залишаються закритими продовж усього такту стиску, а клапан 5 відкривається на початку заданого відрізку такту стиску, залишається відкритим на цьому відрізку і закривається у його КІНЦІ В цей час з камеритеплообмінника 7 поступає охолоджена робоча суміш у робочий циліндр 2, а далі відбувається спільний стиск робочої суміші у циліндрі та камерітеплообміннику Після закриття клапана 5 такт стиску продовжується до верхньої мертвої точки (ВМТ) Після ЦЬОГО робота ДВЗ проводиться за звичайним циклом ДВЗ з ЗОВНІШНІМ утворенням робочої суміші При роботі пропонованої машини у додатковій камері-теплообміннику підтримується температура робочої суміші, визначаєма завданням регулювання На фіг 3 наведена P-V діаграма роботи запропонованої машини стосовно до двигуна внутрішнього згорання, Звичайний цикл ДВЗ із ступінню стиску 8 показан в P-V діаграмі кривою «а» Цикл ДВЗ додатковою камероютеплообмінником та охолодженням до 350К на відрізку від Vo до Vo/2 показан на діаграмі «б» Для достатньо великої додаткової камеритеплообмінника, коли клапан 5 відкривається на початку такту стиску, спричиняється змішування робочого тіла з додаткової камери-теплообмінника з робочим тілом у циліндрі і тиск у циліндрі підвищується до тиску у камері — відрізок а - b діаграми Далі, при відкритому клапані 5 виконується переміщення поршня до точки Vo/2 та спільний в камері та циліндрі стиск робочої суміші — відрізок b - с діаграми Після цього клапан 5 закритий і такт стиску (відрізок c-d діаграми), а також наступні такти, продовжуються за звичайним циклом ДВЗ Як можна бачити із діаграми, за зазначених умов, внаслідок зниження температури до точки С, температура усього циклу на діаграмі «б» менше за температуру на діаграмі «а», внаслідок чого з'являється можливість бездетонаційного підвищення ступені стиску у ДВЗ, із збереженням індикаторного ККД Управління клапанами здійснюється вузлом управління клапанами 8 Перехідний режим роботи машини здійснюється достатньо швидко і визначається встановленням тиску у додатковій камерітеплообміннику на рівні визначаємому моментом закриття клапана 5 (на діаграмі - точка С) Пропонований спосіб може бути використаний для регулювання роботи поршневих компресорів Відомий ряд конструкцій поршневих компресорних машин (2) Найбільш близьким до пропонованої конструкції є компресорна машина (2, стор 347), яка включає робочий циліндр з поршнем, а також впускний і випускний клапани з вузлом управління Основним недоліком відомих компресорів є достатньо низька межа ступені підвищення тиску однієї ступені З ціллю усунення цього недоліку у поршневу компресорну машину додатково вводять 57594 охолоджувану камеру-теплообмінник, з'єднану з робочим циліндром нижнім та верхнім з'єднувальними трубопроводами керованими клапанами На фіг 4 наведено поршневий одноступінний компресор з додатковою камероютеплообмінником, а на мал 5 — діаграма роботи стосовно до компресора з охолодженням на відрізку від Vo до Vo/2 в координатах P-V Робота відбувається наступним образом (фіг 4) Після впуску свіжої газової суміші через впускний клапан 3 та його закриття, клапан випускний 4 залишається закритим до тих пір, поки тиск у циліндрі буде рівним тиску у випускному трубопроводі Клапани 8 і 5 відкриваються на початку такту стиску І газова суміш з додаткової камери-теплообмінника 7 поступає у циліндр (тиск в циліндрі та камері зрівнюються) Коли поршень рухається від нижньої мертвої точки, клапан 8 закривається відразу, клапан 5 лишається відкритим до точки, коли об'єм циліндра на стане рівним Vo/2, а після цього закривається Далі робота компресора організується за звичайним циклом, управління клапанами здійснюється вузлом управління клапанами 9 Цикл звичайного компресора подан P-V діаграмою «а» на фіг 5, а цикл компресора з додатковою камерою-теплообмінником та охолоджуванням на відрізку від Vo до Vo/2 - P-V діаграмою «б» (фіг 5), наведена ступінь підвищення тиску в обох випадках рівна 10 Такт стиску компресора з додатковою камерою-теплообмінником є аналогічний наведеному раніше такту стиску ДВЗ з додатковою камерою-теплообмінником, а із приведених на фіг 5 даних виходить, що при застосуванні додаткової камери-теплообмінника є можливість знизити температуру газової суміші в КІНЦІ процесу стиску без значного підвищення роботи циклу Це дозволяє підвищити ступінь підвищення тиску в одноступінному компресорі ЛІТЕРАТУРА 1 Касаткин А Г Основные процессы и аппараты химической технологии М , «Химия», 1971 2 Черкасский В М Насосы, вентиляторы, компрессоры М , «Энергоиздат», 1984 3 Двигатели внутреннего сгорания Теория поршневых и комбинированных двигателей Под редакцией А С Орлина, М Г Круглова, 4-е издание, М , Машиностроение, 1983 1ЯЇ НИ Ш Ш Ш ТЯ 1 V* Мал 1 Р V діаграма такта СТИРКУ повітря у поршневій гаїовій машині ї Р V діаграми роботи порїшевйк двигунів з зоаншипм утворенням робочо: 57594 Мал. г. Поршневий лвйіуя внутрішнього згорання з додатковою охолоджувальною ка.черою-тешюобмшнихш Мяя 4 Поршневий одаостувінний компресор s додатковою охол камерою- геняообшмником лл 5 Р V жаграми роботи поршнеии\ односгушнних компресорів Комп'ютерна верстка О Воробей Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна