EA005059B1

EA005059B1 - Способ работы и устройство поршневого пневматического двигателя

Info

Publication number: EA005059B1
Application number: EA200400244A
Authority: EA
Inventors: Юрий Богомолов; Юрий Фельдман
Original assignee: Юрий Богомолов; Юрий Фельдман
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2004-10-28
Also published as: ES2242857T3; EE200100415A; DE60204697T2; EE04286B1; EP1415067A1; EA200400244A1; CA2450105C; ATE298039T1; JP2004534173A; CN1539049A; US20040231504A1; DK1415067T3; EP1415067B1; DE60204697D1; KR20040018513A; CA2450105A1; WO2003006795A1

Abstract

Настоящее изобретение относится к способу работы и устройству поршневого пневматического двигателя (ППД). ППД (1) содержит цилиндр (2), в котором находятся поршень (3), связанный кинематически посредством мотыля (4) с коленчатым валом (5), и рабочая камера (6), в которой имеются средство (7) для подачи сжатого воздуха и средство (8) для выпуска воздуха. Начало подачи сжатого воздуха осуществляют при положении поршня (3) в диапазоне от 40° перед верхней мертвой точкой до 25° после верхней мертвой точки по углу поворота мотыля коленчатого вала, в зависимости от числа оборотов двигателя, а окончание подачи осуществляют при положении поршня (3) в диапазоне от 0 до 90° после верхней мертвой точки по углу поворота мотыля коленчатого вала. В частном случае, при номинальном числе оборотов 2,12 с, оптимальный режим работы обеспечивается при условии, что подача сжатого воздуха начинается при положении поршня (3) 2° до верхней мертвой точки и заканчивается при положении поршня (3) 5° после верхней мертвой точки по углу поворота мотыля коленчатого вала. Изобретение обеспечивает уменьшение удельного расхода топлива в 5-6 раз по сравнению с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) тех же размерностей и параметров, что и настоящий ППД, создавая при этом возможность достижения удельной поршневой мощности выше, чем у ДВС.

Description

Настоящее изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к пневматическим поршневым двигателям (ННД). Изобретение может найти применение на транспорте, в силовых приводах, в энергетике.

Уровень техники

Основная проблема современного транспорта - его высокая энергоемкость. В связи с этим перед специалистами в области транспорта стоит задача обеспечения скоростей, отвечающих современным требованиям, при одновременном повышении удельной поршневой мощности двигателя и снижении удельного расхода топлива.

Основу современного парка транспортных двигателей составляют двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Повышение скорости транспорта требует повышения удельной поршневой мощности двигателя. Однако повышению удельной поршневой мощности современных ДВС препятствуют высокая температура в рабочей камере двигателя и обусловленное ею теплонапряжение, низкие надежность и моторесурс. К недостаткам ДВС относятся также сложность конструкции, обусловленная необходимостью наличия системы подачи топлива, системы охлаждения, системы наддува воздуха в рабочую камеру двигателя.

Существенным недостатком судовых силовых установок с применением ДВС (дизелей) в качестве главного двигателя является то, что при выходе из строя электростанции судна останавливается главный двигатель - дизель. Это может повлечь за собой гибель судна. Таким образом, надежность ДВС является фактором живучести судна. Важна роль ДВС и на железнодорожном транспорте, где отказ электрогенератора влечет за собой остановку поезда на трассе.

Пневматические поршневые двигатели (ППД) находят применение в качестве управляющих и исполнительных органов в автоматике, в качестве тормозных двигателей в автотранспорте, для привода горнодобывающих машин и конвейеров в горнодобывающей области. ППД - это экологически более чистые двигатели, но их применению на транспорте и в энергетике препятствует низкая эффективность.

Известны различные способы повышения мощности и эффективности пневматических поршневых двигателей:

добавление топлива в сжатый воздух и сжигание смеси в надпоршневой области рабочей камеры, как это раскрыто в авторском свидетельстве 8И 1553731, 1990;

использование жидкого воздуха, его испарение, нагрев, рекуперация тепла в системе двигательной установки, как это описано в авторском свидетельстве 8И 1783127, 1992.

Однако эти известные способы не позволяют существенно поднять мощность ППД при одновременном обеспечении эффективности, то есть при одновременном уменьшении расхода топлива.

Ближайшими к настоящему изобретению являются устройство и способ работы поршневого пневматического двигателя по авторскому свидетельству 8И 663858, 1979, включающий подачу сжатого воздуха в рабочую камеру двигателя и последующий выпуск воздуха из рабочей камеры при положении поршня в районе нижней мертвой точки (далее НМТ). В известном способе подача сжатого воздуха в рабочую камеру начинается при положении поршня в районе верхней мертвой точки (ВМТ) и заканчивается при положении поршня в районе НМТ. Для повышения эффективности перед подачей сжатого воздуха в рабочую камеру двигателя в него добавляют 3-4% смеси водорода и кислорода и пропускают полученную смесь через каталитическую окислительную камеру. При этом температура воздуха поднимается на 170220°С, что приводит к увеличению его объема в 1,6-1,8 раза. Это позволяет пропорционально уменьшить расход воздуха и сечение трубопровода при неизменной мощности двигателя или повысить мощность двигателя без увеличения расхода воздуха. Однако это не обеспечивает достижения высоких мощностей, необходимых для современного транспорта и силовых установок, при одновременном обеспечении эффективности.

Исходя из вышесказанного, задачей настоящего изобретения является создание способа работы ППД, обеспечивающего высокую выходную мощность при высокой эффективности работы, т.е. повышение удельной поршневой мощности ППД при одновременном снижении удельного расхода топлива. Следующей задачей настоящего изобретения является создание нового ППД, обеспечивающего реализацию нового способа. Задачей настоящего изобретения является также создание новой силовой установки, включающей в себя поршневой пневматический двигатель, обеспечивающий реализацию вышеуказанного способа.

Сущность изобретения

Согласно изобретению указанные задачи достигаются посредством способа работы поршневого пневматического двигателя, включающего подачу сжатого воздуха в рабочую камеру цилиндра и последующий выпуск воздуха из рабочей камеры при положении поршня в районе НМТ, где начало подачи сжатого воздуха осуществляют при положении поршня в диапазоне от 40° перед верхней мертвой точкой до 25° после верхней мертвой точки по углу поворота мотыля коленчатого вала, в зависимости от числа оборотов двигателя, а окончание подачи осуществляют при положении поршня в диапазоне от 0 до 90° после верхней мертвой точки по углу поворота мотыля коленчатого вала.

При этом оптимальной по достигаемой эффективности является кратковременная, импульсная подача сжатого воздуха.

Для иллюстрации достижения результата изобретения был проведен сравнительный расчет мощности, полученной в ППД (Л;д), и мощности (Ν_1Κ), затраченной в воздушном компрессоре, который производит сжатый воздух, необходимый для работы ППД. В данном случае приводом воздушного компрессора является ДВС. Расчеты выполнены в отношении ППД согласно изобретению и в отношении известного ППД, при одинаковых параметрах и размерностях двигателей, для частного случая, когда число оборотов равно 2,12 с^-1, а начало подачи сжатого воздуха осуществляют при положении поршня 2° до ВМТ по углу поворота мотыля коленчатого вала.

В отношении ППД согласно изобретению расчет проводили для двух вариантов режима работы двигателя:

первый - при окончании подачи сжатого воздуха при положении поршня 5° после ВМТ по углу поворота мотыля коленчатого вала, и второй - при окончании подачи сжатого воздуха при положении поршня 90° после ВМТ по углу поворота мотыля коленчатого вала.

В отношении известного ППД расчет проводили для режима работы с окончанием подачи сжатого воздуха при положении поршня в районе НМТ.

Расчет мощности ППД и мощности воздушного компрессора приводится ниже (см. главу Расчеты).

Ориентировочные расчеты показали, что при закрытии средства для подачи сжатого воздуха при положении поршня 5° после ВМТ по углу поворота мотыля коленчатого вала на получение мощности 6630 кВт в ППД согласно настоящему изобретению расходуется приблизительно 1108 кВт в воздушном компрессоре, питающем его сжатым воздухом, т.е. в этом случае удельный расход топлива уменьшается приблизительно в 6 раз по сравнению с приводным ДВС компрессора, т.е. с любым ДВС (см. главу Расчеты).

При этом при закрытии средства для подачи сжатого воздуха при положении поршня 90° после ВМТ по углу поворота мотыля коленчатого вала на получение мощности 17002 кВт в ППД согласно настоящему изобретению расходуется приблизительно 8516 кВт в воздушном компрессоре, т.е. в этом случае удельный расход топлива уменьшается по сравнению с ДВС приблизительно в 2 раза (см. главу Расчеты).

Следует отметить, что в известном ППД при числе оборотов 2,12с^-1, работающем известным способом при закрытии средства для пода чи сжатого воздуха в районе НМТ, мощность, получаемая в пневмодвигателе, равна 25483 кВт, однако, при этом и в воздушном компрессоре расходуется мощность приблизительно в 25548 кВт. То есть при использовании известного способа работы ППД эффект снижения удельного расхода топлива по сравнению с ДВС равен нулю (см. главу Расчеты).

Таким образом, для ППД с числом оборотов 2,12 с^-1, работающего по способу согласно настоящему изобретению, предпочтительным режимом работы является кратковременная (импульсная) подача сжатого воздуха, при которой закрытие средства для подачи сжатого воздуха происходит при положении поршня 5° после ВМТ по углу поворота мотыля коленчатого вала. Как видно из результатов расчетов, заканчивать процесс заполнения рабочей камеры в ППД согласно настоящему изобретению при положении поршня более чем 90° после ВМТ по углу поворота мотыля коленчатого вала нецелесообразно.

Совокупность признаков настоящего изобретения обеспечивает достижение положительного технического эффекта - обеспечение более высокой по сравнению с известным уровнем техники эффективности преобразования энергии сжатого воздуха в энергию вращения вала двигателя. При использовании ППД согласно настоящему изобретению уменьшается удельный расход топлива, а также появляется возможность для значительного повышения давления сжатого воздуха, подаваемого в ППД, что, в результате, значительно повышает удельную поршневую мощность ППД по сравнению с ППД, известным из уровня техники, при тех же параметрах двигателя.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет получить новый результат - создание нового способа работы и устройства поршневого пневматического двигателя, обеспечивающих повышение эффективности работы двигателя.

В данном описании изобретения наглядно представлены преимущества кратковременной подачи сжатого воздуха в случае работы двигателя при числе оборотов 2,12 с^-1, но они справедливы для ППД согласно изобретению и при других значениях числа оборотов. В этом случае оптимальные условия подачи сжатого воздуха будут иными, но в границах формулы изобретения, в зависимости от числа оборотов двигателя.

Как известно, в пневмодвигателях отсутствуют тепловые напряжения, в отличие от ДВС, что позволяет значительно повысить давление сжатого воздуха, подаваемого в рабочую камеру ППД, в пределах прочности материала двигателя - до уровня ДВС и выше.

Для использования высокой потенциальной энергии сжатого воздуха более предпочтительным является способ работы поршневого пневматического двигателя согласно изобрете нию, который дополнительно включает по крайней мере одну последующую ступень способа работы поршневого пневматического двигателя с образованием многоступенчатого способа работы, при этом осуществляют перепуск остатков сжатого воздуха из рабочей камеры каждой предшествующей ступени в рабочую камеру последующей ступени во время рабочего хода поршня предшествующей ступени при положении поршня, не доходя до района нижней мертвой точки, и осуществляют выпуск остатков сжатого воздуха из рабочей камеры последней из последующих ступеней во время рабочего хода при положении поршня, не доходя до района нижней мертвой точки, и осуществляют выпуск остатков сжатого воздуха из рабочей камеры каждой последующей ступени при положении поршня в районе нижней мертвой точки.

Перепуск позволяет использовать высокую потенциальную энергию сжатого воздуха без значительного увеличения длины хода поршня, что очень существенно при лимитированных размерах двигателя.

Целесообразно осуществлять выпуск остатков сжатого воздуха из рабочей камеры любой ступени при положении поршня в районе нижней мертвой точки непосредственно в атмосферу. Это обеспечивает свободный обратный ход поршня.

При этом более целесообразно осуществлять выпуск остатков сжатого воздуха из рабочей камеры любой ступени двигателя при положении поршня в районе нижней мертвой точки с возможностью повторного использования. Это способствует уменьшению энергозатрат на работу ППД.

При этом целесообразно осуществление способа работы ППД согласно изобретению в режиме двусторонней подачи сжатого воздуха в цилиндр.

Для реализации способа работы поршневого пневматического двигателя согласно изобретению в поршневом пневматическом двигателе, рабочим телом которого является сжатый воздух (газ) и который содержит цилиндр, где находятся поршень, соединенный кинематически с мотылем коленчатого вала, и рабочая камера, в которой имеются средство для подачи сжатого воздуха и средство для выпуска воздуха при положении поршня в районе НМТ, - средство для подачи сжатого воздуха выполнено с возможностью осуществления начала подачи при положении поршня в диапазоне от 40° перед ВМТ до 25° после ВМТ по углу поворота мотыля коленчатого вала, в зависимости от числа оборотов двигателя, и с возможностью обеспечения окончания подачи сжатого воздуха при положении поршня в диапазоне от 0 до 90° после ВМТ по углу поворота мотыля коленчатого вала.

Более предпочтительным является поршневой пневматический двигатель, который согласно изобретению содержит по крайней мере один присоединенный последовательно дополнительный цилиндр, образуя таким образом многоступенчатый двигатель, при этом в дополнительном цилиндре находятся поршень, соединенный кинематически с мотылем коленчатого вала, и рабочая камера, имеющая средство для выпуска воздуха при положении поршня в районе НМТ;

каждый предшествующий цилиндр многоступенчатого ППД снабжен средством для перепуска воздуха в рабочую камеру последующего дополнительного цилиндра, а последний цилиндр в ряду дополнительных цилиндров снабжен средством для выпуска воздуха; при этом оба вышеуказанных средства выполнены с возможностью срабатывания при положении поршня соответствующего цилиндра, не доходя до района НМТ;

при этом поршни всех цилиндров кинематически соединены с общим коленчатым валом.

Предпочтительно, что в поршневом пневматическом двигателе по изобретению по крайней мере в одном из цилиндров средство для выпуска остатков сжатого воздуха при положении поршня в районе НМТ выполнено с возможностью повторного использования выпускаемого воздуха.

В пневматическом поршневом двигателе согласно изобретению указанное средство для перепуска воздуха из рабочей камеры предшествующего цилиндра в рабочую камеру последующего дополнительного цилиндра может быть выполнено в виде перепускного канала с расположенным в нем невозвратным клапаном, при этом вход перепускного канала соединен с перепускным отверстием рабочей камеры предшествующего цилиндра, перепускное отверстие расположено выше района нижней мертвой точки поршня, а выход перепускного канала соединен с впускным отверстием рабочей камеры последующего дополнительного цилиндра.

Силовая установка, предназначенная для реализации способа согласно настоящему изобретению, предпочтительно содержит поршневой пневматический двигатель согласно изобретению и источник сжатого воздуха. Это позволяет обеспечить высокую выходную мощность в системе с использованием ППД при одновременном обеспечении низкого удельного расхода топлива.

При этом предпочтительно, что в силовой установке согласно изобретению часть энергии, полученной в поршневом пневматитческом двигателе, подается на привод источника сжатого воздуха.

При этом также предпочтительно, что силовая установка, предназначенная для реализации способа согласно настоящему изобретению, содержит многоступенчатый поршневой пневматический двигатель согласно изобретению, при этом внутренний диаметр каждого последующего цилиндра и диаметр его поршня больше, чем в предшествующем цилиндре.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется далее при помощи следующих чертежей и диаграмм:

фиг. 1 - схема одноступенчатого ИИД одностороннего действия согласно настоящему изобретению;

фиг. 2 - индикаторная диаграмма работы ППД по фиг. 1 в случае, когда средство для подачи сжатого воздуха закрывается при положении поршня 5° после верхней мертвой точки по углу поворота мотыля коленчатого вала;

фиг. 3 - индикаторная диаграмма работы ППД по фиг. 1 в случае, когда средство для подачи сжатого воздуха закрывается при положении поршня 90° после верхней мертвой точки по углу поворота мотыля коленчатого вала;

фиг. 4 - индикаторная диаграмма работы известного ППД, где средство для подачи сжатого воздуха закрывается при положении поршня вблизи нижней мертвой точки (для сравнения);

фиг. 5 - схема двухступенчатого ППД одностороннего действия согласно настоящему изобретению, где показан рабочий ход в цилиндре первой ступени;

фиг. 6 - схема двухступенчатого ППД одностороннего действия согласно настоящему изобретению, где показан обратный ход в цилиндре первой ступени;

фиг. 7 - индикаторная диаграмма работы ДВС (для сравнения).

Индикаторные диаграммы на фиг. 1-4 показывают работу ППД для частного случая при числе оборотов 2,12 с^-1. Однако, в принципе, закономерности работы ППД согласно настоящему изобретению, отражающиеся в диаграммах, справедливы для работы ППД и при других значениях числа оборотов.

Примеры выполнения изобретения

Описание одноступенчатого ППД

Одноступенчатый пневматический поршневой двигатель одностороннего действия, представленный на чертеже фиг. 1, содержит следующие конструктивные элементы: 1 - ППД, 2 - цилиндр, 3 - поршень, 4 - мотыль, 5 - коленчатый вал, 6 - рабочая камера, 7 - средство для подачи сжатого воздуха (впускной клапан), 8 средство для выпуска воздуха (выпускной клапан), 9 - подпоршневое пространство.

ППД 1 (фиг. 1) имеет цилиндр 2, где находятся поршень 3, соединенный кинематически с мотылем 4 коленчатого вала 5, и рабочая камера 6 (надпоршневое пространство). В рабочей камере 6 имеются средство 7 для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру, выполненное в виде впускного клапана, и средство 8 для выпуска воздуха при положении поршня в районе НМТ, выполненное в виде выпускного клапана. Подпоршневое пространство 9 соединено с атмосферой. Средство 7 для подачи сжатого воздуха может быть подсоединено к внешнему источнику сжатого воздуха.

Устройство по изобретению работает следующим образом.

Работу ИИД иллюстрируют индикаторные диаграммы фиг. 2-3, показывающие изменение давления (р) сжатого воздуха (газа) в цилиндре двигателя 1 в зависимости от положения поршня 3 по углу (φ°) поворота мотыля 4 коленчатого вала 5.

В ППД (при числе оборотов 2,12 с^-1) сжатый воздух под давлением р_тах начинает подаваться в рабочую камеру, когда средство 7 для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру начинает открываться при положении поршня 3 за 2° до ВМТ по углу поворота мотыля коленчатого вала (точка а на фиг. 2 и 3). Средство 8 для выпуска остатков сжатого воздуха к этому моменту закрыто полностью. Давление в камере возрастает до величины р_тах (точка Ь на фиг. 2 и ) к моменту достижения поршнем 3 положения, соответствующего 5° после ВМТ по углу поворота мотыля 4 коленчатого вала 5. Начинается рабочий ход поршня.

В первом, предпочтительном, варианте режима работы ППД по изобретению (фиг. 2) средство 7 для подачи сжатого воздуха закрывается и подача сжатого воздуха прекращается в момент, когда давление в камере достигает величины р_тах, что соответствует положению поршня 5° после ВМТ по углу поворота мотыля коленчатого вала. Поршень 3 продолжает двигаться вниз, производя работу. Происходит рабочий ход поршня. При прохождении поршня 3 в районе НМТ, когда давление в камере опускается до нескольких атмосфер (1,5-3 атм), открывается средство 8 для выпуска воздуха в атмосферу (точка с), давление в камере падает до атмосферного давления р_а (точка б), и поршень 3 беспрепятственно поднимается вверх. Происходит свободный обратный ход поршня (участок б-а). К моменту подхода поршня 3 к положению, соответствующему точке а на фиг. 2, снова закрывается средство 8 для выпуска воздуха, а средство 7 для подачи сжатого воздуха начинает открываться, и цикл работы двигателя повторяется. За время подачи сжатого воздуха поршень проходит расстояние, соответствующее повороту мотыля коленчатого вала на угол примерно 7°. Таким образом, при таком варианте режима работы ППД подача сжатого воздуха в рабочую камеру двигателя происходит в течение очень небольшой части хода поршня (участок а-Ь), так сказать, импульсно.

При втором варианте режима работы ППД согласно настоящему изобретению (фиг. 3) закрытие средства 7 для подачи сжатого воздуха р_тах происходит при положении поршня 90° после ВМТ по углу поворота мотыля коленча того вала (точка Ь'). К этому времени поршень проходит расстояние, равное половине хода поршня (участок Ь-Ь'). Выпуск воздуха происходит также в районе НМТ (точка с), давление в камере падает до атмосферного (точка ά), происходит свободный обратный ход поршня (участок ά-а).

Для сравнения дана индикаторная диаграмма работы ППД, работающего по известному из уровня техники способу, где подача сжатого воздуха р_тах продолжается в течение всего рабочего хода поршня и заканчивается в районе НМТ (точка с на фиг. 4). В течение всего времени подачи сжатого воздуха давление в рабочей камере держится на уровне р_тах.

Площадь индикаторной диаграммы иллюстрирует работу, которую сжатый воздух совершает в цилиндре двигателя за один рабочий цикл (чем больше площадь, тем больше расход мощности в цилиндре). Как видно из фиг. 2, площадь индикаторной диаграммы работы двигателя согласно изобретению при предпочтительном варианте в 3,84 раза меньше, чем для двигателя, работающего по известному из уровня техники способу (фиг. 4). В этом случае расход мощности в цилиндре двигателя в 3,84 раза меньше, чем в случае известного ППД. Сравнение диаграмм фиг. 3 и 4 показывает, что при втором варианте режима работы ППД по изобретению расход мощности в цилиндре в 1,5 раза меньше, чем при известном способе работы ППД.

Таким образом, подачу сжатого воздуха в ППД согласно изобретению можно производить в указанных пределах рабочего цикла двигателя согласно патентной формуле, в зависимости от желаемого результата. В частности, для двигателя согласно изобретению при числе оборотов 2,12 с^-1 предпочтительным вариантом способа работы является вышеописанный первый вариант с кратковременной подачей сжатого воздуха при закрытии средства для подачи сжатого воздуха при угле поворота коленчатого вала 5° после ВМТ. При этом подача сжатого воздуха в рабочую камеру ППД согласно изобретению при угле поворота мотыля коленчатого вала более 90° нецелесообразна.

Предполагаемый эффект от использования настоящего изобретения проверен для случая работы двигателя с числом оборотов 2,12 с^-1 при помощи Расчета мощностей ППД и компрессора (см. главу Расчеты).

При работе ППД согласно изобретению при другом числе оборотов (5 с^-1, 8,33 с^-1 и т.д.) предпочтительные условия подачи сжатого воздуха будут иными в пределах формулы изобретения.

Описание многоступенчатого ППД

Работа многоступенчатого ППД согласно настоящему изобретению иллюстрируется на примере двухступенчатого ППД одностороннего действия, который содержит следующие конструктивные элементы (фиг. 5 и 6): 10 - двухступенчатый ППД, 11 - цилиндр первой ступени (предшествующий), 12 - цилиндр второй ступени (дополнительный и/или последующий), 13 средство для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру цилиндра первой ступени (впускной клапан), 14 - рабочая камера цилиндра первой ступени, 15 - средство для выпуска воздуха из рабочей камеры цилиндра первой ступени (выпускной клапан), 16 - поршень цилиндра первой ступени; 17 - перепускной канал, 18 - невозвратный клапан, 19 - перепускное отверстие, 20 впускное отверстие рабочей камеры цилиндра второй ступени, 21 - рабочая камера цилиндра второй ступени; 22 - поршень цилиндра второй ступени, 23 - средство для выпуска воздуха из рабочей камеры цилиндра второй ступени (выпускное отверстие) при положении поршня, не доходя до района НМТ, 24 - подпоршневое пространство цилиндра первой ступени; 25 - подпоршневое пространство цилиндра второй ступени; 26, 27 - мотыль коленчатого вала, 28 - коленчатый вал, 29 - средство для выпуска воздуха из рабочей камеры цилиндра второй ступени (выпускной клапан) при положении поршня в районе НМТ.

Двухступенчатый ППД содержит цилиндр 11 первой ступени и цилиндр 12 второй ступени. Цилиндр 11 первой ступени, как и цилиндр 2 в одноступенчатом двигателе по фиг. 1, имеет средство 13 для подачи сжатого воздуха р_тах в его рабочую камеру 14, выполненное в виде впускного клапана, и средство 15 для выпуска воздуха из рабочей камеры 14 в атмосферу при прохождении его поршня 16 в районе НМТ, выполненное в виде выпускного клапана. Впускной клапан 13 может быть подсоединен к внешнему источнику сжатого воздуха. Цилиндр 11 первой ступени соединен с цилиндром 12 второй ступени перепускным каналом 17, в котором установлен невозвратный клапан 18. Входное отверстие перепускного канала 17 подсоединено к перепускному отверстию 19 цилиндра 11, расположенному в рабочей камере 14 выше района НМТ поршня 16. Выходное отверстие перепускного канала 17 подсоединено ко впускному отверстию 20, расположенному в рабочей камере 21 цилиндра 12 второй ступени. Цилиндр 12 второй ступени имеет средство 23 для выпуска воздуха, выполненное в виде выпускного отверстия, расположенного в рабочей камере выше района НМТ поршня 22. Выпускное отверстие 23 и подпоршневые пространства 24 и 25 обоих цилиндров соединены с атмосферой. Поршни 16 и 22 цилиндров обеих ступеней соединены кинематически с мотылями 26 и 27 общего коленчатого вала 28. В рабочей камере цилиндра 12 установлено средство 29 для выпуска воздуха при положении поршня в районе НМТ.

Многоступенчатый двигатель работает следующим образом.

Сжатый воздух под давлением р_тах подается в рабочую камеру 14 цилиндра 11 через впу скной клапан 13 (фиг. 5), как и в одноступенчатом двигателе 1 по фиг. 1, в течение небольшой части хода поршня. Когда поршень 16 во время рабочего хода, не доходя до района НМТ, проходит мимо перепускного отверстия 19 цилиндра 11, перепускной канал 17 оказывается в течение короткого промежутка времени открытым в рабочую камеру 14 цилиндра 11. Сжатый воздух под давлением р_ост проходит в перепускной канал 17, открывая невозвратный клапан 18, и далее воздух проходит в рабочую камеру 21 цилиндра 12 второй ступени. При этом в рабочих камерах обоих цилиндров давление выравнивается и становится равным р_ост', величина которого меньше, чем р_ост, и невозвратный клапан 18 закрывается, препятствуя утечке воздуха из рабочей камеры 21.

Поршень 16 цилиндра 11, пройдя район НМТ, совершает обратный ход (фиг. 6). При прохождении поршня 16 в районе НМТ открывается выпускной клапан 15 для выпуска воздуха из цилиндра 11 в атмосферу, и поршень 16 совершает свободный ход вверх. Поршень 22 цилиндра второй ступени совершает рабочий ход. При этом невозвратный клапан 18 закрыт.

Во время хода вверх поршень 16 проходит мимо перепускного отверстия 19, при этом перепускной канал 17 оказывается открытым в подпоршневое пространство 24 цилиндра 11, соединенное с атмосферой. Давление воздуха на невозвратный клапан 18 со стороны цилиндра 11 становится равным атмосферному давлению р_а, давление воздуха на клапан 18 со стороны цилиндра 12, равное р_ост', превышает р_а, благодаря чему клапан 18 остается закрытым и далее во время обратного хода поршня 16 первой ступени.

Во время рабочего хода в цилиндре 12 при прохождении поршня 22 мимо выпускного отверстия 23 рабочая камера 21 соединяется с атмосферой. При этом воздух с давлением р_ост выпускается в атмосферу, и давление в рабочей камере цилиндра 12 становится равным атмосферному давлению р_а. При этом давление по обе стороны невозвратного клапана 18 становится одинаковым и равным ра, оставаясь таким во время этого хода поршней 16 и 22. Невозвратный клапан 18 остается закрытым до момента прохождения поршнем 16 первой ступени перепускного отверстия 19 во время его следующего рабочего хода. После этого в рабочей камере цилиндра 12 второй ступени снова создается давление сжатого воздуха, равное р_ост'.

При прохождении поршня 22 мимо выпускного отверстия 23 при ходе вверх рабочая камера цилиндра 12 изолируется от атмосферы, и поршень 22 в процессе дальнейшего движения вверх совершает сжатие в ней воздуха, изначальное давление которого равно атмосферному давлению р_а. Это снижает КПД всей системы двухступенчатого двигателя. Во избежание этих потерь, в цилиндре 12 установлено средство 29 для выпуска воздуха в атмосферу при положе нии поршня 22 в районе НМТ, аналогичное выпускному клапану 15, что обеспечивает свободное движение поршня 22 вверх. Средство 29 закрывается перед следующим перепуском воздуха из цилиндра 11.

При числе ступеней более двух все промежуточные ступени снабжаются выпускными клапанами 29. В многоступенчатом ППД поршни всех цилиндров соединены с общим коленчатым валом.

При этом в ППД согласно изобретению воздух, выпускаемый при положении поршня в районе НМТ, можно использовать повторно, например подать во всасывающее устройство компрессора. Это снизит энергозатраты на работу ППД.

Расчеты

Расчет мощностей ППД и воздушного компрессора

Ниже приводится сравнительный расчет мощностей и расхода воздуха для работы ППД согласно настоящему изобретению и согласно известному способу работы ППД. Рассчитываются мощность (Нд), получаемая в ППД, и мощность (Х_К), расходуемая в воздушном компрессоре, приводимом ДВС, на получение количества сжатого воздуха, необходимого для работы ППД.

Расчет выполнен для частного случая, когда число оборотов ППД равно 2,12 с^-1, а начало подачи сжатого воздуха осуществляют при положении поршня за 2° до ВМТ по углу поворота мотыля коленчатого вала.

Расчет выполнен для двух вышеописанных вариантов режима работы ППД согласно изобретению:

для случая окончания подачи сжатого воздуха при положении поршня, соответствующем 5° после ВМТ по углу поворота мотыля коленчатого вала, и для случая окончания подачи сжатого воздуха при положении поршня, соответствующем 90° после ВМТ по углу поворота мотыля коленчатого вала.

Для сравнения выполнен расчет для известного ППД, где окончание подачи сжатого воздуха осуществляется в районе НМТ.

Расчет мощностей, используемых для сравнения ППД (при разных условиях окончания подачи сжатого воздуха) и воздушного компрессора, выполнен при одинаковых следующих параметрах ППД: Количество цилиндров 5

Диаметр цилиндра 0,48 м

Ход поршня 2 м

Число оборотов 2,12 с^-1

Давление сжатого воздуха 13,73-10⁶ Па

Формула для расчета мощности, получаемой в ППД:

где Нд - индикаторная мощность ППД (кВт), р; - среднее индикаторное давление (Па), I) - диаметр цилиндра (м), η - число оборотов (с^-1),

- ход поршня (м),

- количество цилиндров.

Формула для расчета мощности, расходуемой в воздушном компрессоре на получение количества сжатого воздуха, необходимого для работы ППД:

Νκ=Ρί·ν₈ (2) где Ν;κ - индикаторная мощность воздушного компрессора (кВт), р; - среднее индикаторное давление компрессора, равное среднему индикаторному давлению в ППД (Па), ν₈ - объем воздуха, производимого компрессором за 1 с (м³/с).

Расчет объема воздуха V, производимого компрессором и расходуемого в ППД за 1 с, осуществляется следующим образом.

Объем рабочей камеры одного цилиндра ППД:

π ϋ²И =--Я (м³) где Ώ - диаметр поршня (Ώ=0,48 м).

Н - длина хода поршня в момент окончания подачи сжатого воздуха в рабочую камеру (м).

Объем расхода воздуха в ППД за один оборот коленчатого вала во всех цилиндрах двигателя равен ν₁·ΐ (м³) где 1 - число цилиндров (1=5).

Объем расхода воздуха в ППД за 1 с ν₈=[νι·ΐ]·η (м³/с) где η - число оборотов 2,12 с^-1.

Итак, π ·ϋ² 3,14 (0,48)² · 5 2,12 =--Н ϊ н =--Н = 1,918 Н (м³/сек)

4

Для известного ППД, где подача сжатого воздуха в рабочую камеру заканчивается при положении поршня в районе НМТ, длина Н хода поршня в момент окончания подачи сжатого воздуха в рабочую камеру составляет 2 м, так что ν₅=1,918·2=3,836 (м³/с)

Для ППД согласно изобретению, в случае окончания подачи сжатого воздуха при положении поршня, соответствующем 90° после ВМТ, длина Н хода поршня в момент окончания подачи составляет 1 м, так что ν₃=1,918·1=1,918 (м³/с)

Для ППД согласно изобретению, в случае окончания подачи сжатого воздуха при положении поршня, соответствующем 5° после ВМТ, длина Н хода поршня к моменту окончания подачи составляет 0,166 м. Для чистоты расчета, введем для этого случая коэффициент потерь, учитывающий мертвое пространство, равный 2, тем самым увеличим вдвое объем рабочей камеры и расход воздуха:

ν₃=1,918·0,166·2=0,637 (м³/с)

Результаты сравнительного ориентировочного расчета мощностей ППД (Нд) и воздушного компрессора (Ν^) в соответствии с вышеприведенными формулами (1) и (2) представлены в нижеследующей таблице.

Параметры	Для ППД согласно изобретению	Для известного ППД
1-й вариант режима работы	2-й вариант режима работы
Положение поршня в момент окончания подачи сжатого воздуха	5“ после ВМТ	90° после ВМТ	в районе НМТ
Среднее индикаторное давление (МПа>,	1,74	4.44	6,66
Длина хода поршня до окончания подачи сжатого воздуха (м) Н	0,166	1,0	2,0
Объем воздуха, производимого компрессором и расходуемого в ППД за 1 сек (м³/сек)И₀-	0,637	1,918	3,836
Индикаторная мощность ППД (кВт)^	6630	17002	25483
Индикаторная мощность воздушного компрессора (кВт)ЛГ_г·#	1108	8516	25548

Расчет расхода топлива на работу ДВС и ППД по изобретению

Для сравнения мощности и экономичности поршневого пневматического двигателя по настоящему изобретению с требованиями, предъявляемыми к современным транспортным двигателям, и для оценки возможности его применения в качестве мощного двигателя наравне с современными двигателями внутреннего сгорания, рассматривается работа ППД согласно изобретению в случае, когда его рабочие параметры и размерности одинаковы с параметрами современного ДВС.

Рабочие параметры ППД:
Количество цилиндров	5
Диаметр цилиндра	0,48 м
Ход поршня	2 м
Число оборотов	2,12 с^-1
Давление сжатого воздуха	13,73 МПа
Мощность Нд	6630 кВт
Среднее индикаторное
давление (р;)	1,74 МПа
Для сравнения взят ДВС	(дизель), рабо-
тающий на судовой винт фиксированного шага
типа 8ΕΊ./ΕΚ КТЛ 48 Т.
Рабочие параметры ДВС:
Количество цилиндров	5
Диаметр цилиндра	0,48 м
Ход поршня	2 м
Число оборотов	2,12 с^-1
Давление сгорания	13,73 МПа
Мощность Нд_ВС	5100 кВт
Среднее индикаторное
давление (р;)	1,34 МПа

При сравнении индикаторных диаграмм предпочтительного варианта выполнения ППД согласно изобретению при частоте вращения

2,12 с^-1 (фиг. 2) и ДВС (фиг. 7) можно заметить, что они схожи, но в ПИД отсутствует такт сжатия, что увеличивает площадь диаграммы, а следовательно, среднее индикаторное давление и мощность, как минимум, на 30%.

Формула для расчета расхода топлива в час в ДВС ^мдвс^=с1д|в.Н· где Мд_ВС - расход топлива в час (кг/с),

Чд_ВС - удельный расход топлива (кг/кВт/с) в ДВС=5-10^-5 кг/кВт/с,

N - индикаторная мощность двигателя (кВт).

Таким образом, в ДВС для получения мощности 5100 кВт необходимо затратить топлива:

Мдв_С=5-10^-5 кг/кВт-с-5100 кВт=0,255 кг/с

Согласно приведенному ранее Расчету мощностей ПИД и компрессора в ПИД (при 2,12 с^-1) согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения для получения мощности N^=6630 кВт требуется затратить в компрессоре мощность Ν_1Κ, равную приблизительно 1108 кВт, то есть в 6 раз меньше.

Таким образом, удельный расход топлива (с|) при использовании ПИД, работающего по способу согласно изобретению, составит 6_ППд=5-10^-5 кг/кВт-с:6=8,333-10^-6 кг/кВт-с, при этом расход топлива (М) составит М_ппд=8,333-10^-6 кг/кВт-с-6630 кВт=0,055 кг/с.

С учетом всех потерь, погрешностей и сделанных допущений, а также учитывая, что на практике будут применяться широкий диапазон размерностей и параметров ППД и различные воздушные компрессоры, можно утверждать, что для получения той же мощности на валу ППД, что и в ДВС, необходимо затратить топлива по крайней мере в 5 раз меньше, т.е. удельный расход топлива при использовании ППД по изобретению по крайней мере в 5 раз меньше, чем в ДВС.

Промышленная применимость

Пневматический поршневой двигатель согласно настоящему изобретению может быть выполнен с использованием известных технологий и с применением известных современных материалов и оборудования. В поршневых пневматических двигателях согласно настоящему изобретению могут быть использованы, наряду с воздухом, и другие газы, свойства которых позволяют их сжатие до нужной величины, обеспечивают безопасность работы двигателя и экологическую чистоту эксплуатации двигателя.

Варианты реализации настоящего изобретения не ограничиваются вышеописанным, они включают в себя различные варианты выполнения в пределах формулы изобретения.

Пневматический поршневой двигатель согласно настоящему изобретению может найти применение в качестве автомобильного и главного судового двигателя, двигателя для желез нодорожного транспорта. Сегодня в этих областях используются ДВС, которые достигли своего предела мощности и не удовлетворяют критериям экологии. Настоящее изобретение позволяет создать мощные, экономичные и экологически более чистые транспортные двигатели различного класса. На основе настоящего изобретения могут быть реализованы и энергетические силовые установки.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ работы поршневого пневматического двигателя (1), включающий подачу сжатого воздуха в рабочую камеру (6) цилиндра (2) поршневого пневматического двигателя и последующий выпуск воздуха из рабочей камеры (6) при положении поршня (3) в районе нижней мертвой точки, отличающийся тем, что начало подачи сжатого воздуха осуществляют при прохождении поршнем (3) положения, соответствующего фиксированному значению угла поворота мотыля (4) коленчатого вала (5), выбранному в диапазоне от 40° перед верхней мертвой точкой до 25° после верхней мертвой точки, в зависимости от номинального числа оборотов двигателя, а окончание подачи осуществляют при прохождении поршнем (3) положения, соответствующего фиксированному значению угла поворота мотыля (4) коленчатого вала (5), выбранному в диапазоне от 0 до 90° после верхней мертвой точки, в зависимости от необходимой эффективности, причем эти значения, будучи установлены для каждого конкретного двигателя, остаются неизменными в процессе его работы.
2. Способ работы поршневого пневматического двигателя согласно п.1, отличающийся тем, что указанный способ дополнительно включает по крайней мере одну последующую ступень способа работы поршневого пневматического двигателя с образованием многоступенчатого способа работы двигателя (10), при этом осуществляют перепуск остатков сжатого воздуха из рабочей камеры (14) каждой предшествующей ступени в рабочую камеру (21) последующей ступени во время рабочего хода поршня (16) предшествующей ступени при положении поршня, не доходя до района нижней мертвой точки, осуществляют выпуск воздуха из рабочей камеры (21) последней из последующих ступеней во время рабочего хода при положении поршня (22), не доходя до района нижней мертвой точки, осуществляют выпуск воздуха из рабочей камеры (21) каждой последующей ступени при положении поршня (22) в районе нижней мертвой точки.
3. Способ работы поршневого пневматического двигателя согласно п.1 или 2, отличающийся тем, что выпуск воздуха из рабочей ка меры (14, 21) по крайней мере одной ступени при положении поршня (16, 22) в районе нижней мертвой точки осуществляют в атмосферу.
4. Способ работы поршневого пневматического двигателя согласно п.1 или 2, отличающийся тем, что выпуск воздуха из рабочей камеры (14, 21) по крайней мере одной ступени при положении поршня (16, 22) в районе нижней мертвой точки осуществляют с возможностью повторного использования.
5. Способ работы поршневого пневматического двигателя по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что работа указанного двигателя (1, 10) осуществляется в режиме двусторонней подачи сжатого воздуха в цилиндр.
6. Поршневой пневматический двигатель (1), рабочим телом которого является сжатый воздух и который содержит цилиндр (2), где находятся поршень (3), соединенный кинематически с мотылем (4) коленчатого вала (5), и рабочая камера (6), в которой имеются средство (7) для подачи сжатого воздуха и средство (8) для выпуска воздуха при положении поршня (3) в районе нижней мертвой точки, отличающийся тем, что средство (7) для подачи сжатого воздуха выполнено с возможностью обеспечения начала подачи при положении поршня (3), соответствующем фиксированному значению угла поворота мотыля (4) коленчатого вала (5), выбранному в диапазоне от 40° перед верхней мертвой точкой до 25° после верхней мертвой точки, в зависимости от номинального числа оборотов двигателя, и с возможностью обеспечения окончания подачи сжатого воздуха при положении поршня (3), соответствующем фиксированному значению угла поворота мотыля (4) коленчатого вала (5), выбранному в диапазоне от 0 до 90° после верхней мертвой точки, в зависимости от необходимой эффективности, причем эти значения, будучи установлены для каждого конкретного двигателя, остаются неизменными в процессе его работы.
7. Поршневой пневматический двигатель согласно п.6, отличающийся тем, что он содержит по крайней мере один присоединенный последовательно дополнительный цилиндр (12), образуя многоступенчатый двигатель (10), при этом в дополнительном цилиндре (12) находятся поршень (22), соединенный кинематически с мотылем (27) коленчатого вала (28), и рабочая камера (21), которая имеет средство (29) для выпуска воздуха при положении поршня (22) в районе нижней мертвой точки;

каждый предшествующий цилиндр (11) многоступенчатого двигателя (10) имеет средство для перепуска воздуха из рабочей камеры (14) предшествующего цилиндра в рабочую камеру (21) последующего дополнительного цилиндра (12) при положении поршня (22) предшествующего цилиндра, не доходя до района нижней мертвой точки;

последний цилиндр в ряду дополнительных цилиндров (12) имеет средство (23) для выпуска воздуха при положении поршня (22), не доходя до района нижней мертвой точки;

поршни (16, 22) всех цилиндров (11, 12) соединены кинематически с общим коленчатым валом (28).
8. Поршневой пневматический двигатель согласно п.6 или 7, отличающийся тем, что по крайней мере в одном из цилиндров (11, 12) средство (15, 29) для выпуска воздуха при положении поршня (16, 22) в районе нижней мертвой точки выполнено с возможностью повторного использования выпускаемого воздуха.
9. Поршневой пневматический двигатель согласно п.7 или 8, отличающийся тем, что указанное средство для перепуска воздуха из рабочей камеры (14) предшествующего цилиндра (11) в рабочую камеру (21) последующего дополнительного цилиндра (12) выполнено в виде перепускного канала (17) с расположенным в нем невозвратным клапаном (18), при этом вход перепускного канала (17) соединен с перепускным отверстием (19) рабочей камеры предшествующего цилиндра (11), перепускное отверстие (19) расположено выше района нижней мертвой точки поршня (16), а выход перепускного канала (17) соединен с впускным отверстием (20) рабочей камеры дополнительного цилиндра (12) .
10. Поршневой пневматический двигатель согласно любому из пп.7-9, отличающийся тем, что внутренний диаметр каждого последующего цилиндра и внешний диаметр его поршня больше, чем в предыдущем цилиндре.
11. Использование способа согласно одному из пп.1-5 в силовой установке, содержащей поршневой пневматический двигатель согласно любому из пп.6-9 и воздушный компрессор.
12. Использование способа согласно п.11, отличающееся тем, что часть мощности, получаемой в поршневом пневматическом двигателе, подается в привод воздушного компрессора.