PL237659B1 - Sposób generowania ciśnienia gazu zwłaszcza powietrza w zbiorniku ciśnieniowym oraz urządzenie do realizacji tego sposobu - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób generowania ciśnienia gazu zwłaszcza powietrza w zbiorniku ciśnieniowym oraz urządzenie do realizacji tego sposobu.

Sposób według wynalazku może być wykorzystywany do generowania sprężonego powietrza w urządzeniach stacjonarnych jako alternatywna metoda dla konwencjonalnych metod sprężania powietrza. Szczególne zastosowanie może znaleźć w urządzeniach mobilnych wymagających sprężonego powietrza oraz w pojazdach napędzanych sprężonym powietrzem. Pojazdy na sprężone powietrze wymagają bowiem wysokosprawnej metody sprężania powietrza. Siłowniki lub silniki pneumatyczne napędzające pojazd mogą być zasilane ze zbiorników ciśnienia, w których sprężone powietrze może być wytwarzane sposobem według wynalazku.

Kompresor powietrza to urządzenie służące do wytwarzania wysokiego ciśnienia sprężonego gazu albo do wytwarzania wysokiego ciśnienia sprężonego gazu oraz jego magazynowania, gdy pod pojęciem kompresor rozumie się sprężarkę wraz ze zbiornikiem ciśnieniowym powietrza. Znane są dziesiątki konstrukcji kompresorów powietrza, w skład których wchodzi zbiornik ciśnieniowy powietrza poprzez zawór jednokierunkowy połączony ze sprężarką zespoloną z napędem elektrycznym albo spalinowym. Ze względu na budowę sprężarki możemy podzielić na wyporowe, tłokowe, śrubowe, membranowe, z wirującymi tłokami, łopatkowe, przepływowe i inne. W praktyce najczęściej wykorzystuje się sprężarki tłokowe lub śrubowe, które posiadają stosunkowo niską sprawność, często poniżej 20%.

Przykładowo znany jest ze zgłoszenia międzynarodowego W098/23861 kompresor powietrza składający się z kilku modułów sprężających, zawierających grube, długie i bardzo ciężkie tłoki. Zestaw modułów sprężających jest zamontowany na elemencie obrotowym (lub elemencie obracanym) napędzanym poprzez przekładnię, dokładnie przekładnię redukcyjną i ma możliwość obracania się wraz z elementem obrotowym lub obracanym, przy czym tłok każdego z modułów sprężających zostaje poddany działaniu naturalnej siły - grawitacji, dzięki której opada sprężając powietrze w momencie kiedy obracany jest do pozycji pionowej, generując w ten sposób znaczne ilości sprężonego powietrza przy niewielkim poborze mocy. Powietrze z modułów sprężających przetłaczane jest do zbiornika ciśnieniowego powietrza.

Z polskiego zgłoszenia patentowego P.398244 znany jest kompresor spiralny bezolejowy, składający się z profilowego korpusu rurowego, którego jedno czoło przysłonięte jest statorem, którego wewnętrzna powierzchnia posiada żebro spiralne, współpracujące z żebrem spiralnym wirnika umieszczonego wewnątrz tej obudowy i osadzonego na ułożyskowanym czopie wału napędowego, który wraz z przeciwciężarem zamocowane są na wałku silnika wprawiającego w ruch orbitalny ten wirnik, który za pomocą dwóch czopów elementów mimośrodowych połączony jest ze statorem, przy czym czoła tych żeber spiralnych zaopatrzone są w uszczelki elastyczne, a każdy z dwóch czopów tych elementów osadzony jest w dwóch łożyskach zamontowanych w otworach trzech występów rozmieszczonych na obwodzie wirnika i statora. Zarówno odsadzenie żebrowe wirnika jak i współpracujące z nim odsadzenie żebrowe statora posiadają hybrydowy zarys spiralny, stanowiący kombinację kilku krzywych, w których początkowe i końcowe pełne zwoje są identyczne jak dla ewolwenty okręgu, natomiast środkowe ich części łączące zarys ewolwenty zewnętrznej z zarysem ewolwenty wewnętrznej stanowią krzywe, których funkcja wektora jest opisana wielomianem trzeciego stopnia, natomiast zarówno w trzech obwodowych odsadzeniach tulejowych wirnika jak i w trzech obwodowych odsadzeniach tulejowych statora osadzone są po dwa łożyska toczne oddzielone od siebie pierścieniami dystansowymi, w których osadzone są czopy wałków mimośrodowych o mimośrodzie, równym mimośrodowi pomiędzy czopami wału głównego napędowego tworząc układ prostowodowy, przy czym na czopach ułożyskowanych w odsadzeniach tulejowych wirnika osadzone są sprężyny faliste do których przylegają podkładki.

Celem według wynalazku jest rozwiązanie pozwalające w przeciągu milisekund na podniesienie ciśnienia w zbiorniku ciśnieniowym w zakresie od 20 o 30%.

Sposób generowania ciśnienia gazu zwłaszcza powietrza w zbiorniku ciśnieniowym, w którym ciśnienie gazu w zbiorniku ciśnieniowym podnosi się wtłoczeniem do niego poprzez zawór jednokierunkowy gazu z komory sprężania cylindra, w której gaz spręża się tłokiem według wynalazku charakteryzuje się tym, iż gaz spręża się tłokiem pływającym, który porusza się na skutek wzrostu ciśnienia w objętości cylindra przed tłokiem, który wywołuje się zapłonem mieszanki powietrzno-paliwowej.

Urządzenie do generowania ciśnienia gazu w zbiornikach ciśnieniowych w postaci cylindra z tłokiem, którego objętość z jednej strony tłoka stanowi komorę sprężania gazu połączoną z jednokierun

PL 237 659 Β1 kowym zaworem wlotowym gazu oraz jednokierunkowym zaworem wylotowym gazu, poprzez który komora sprężania cylindra połączona jest ze zbiornikiem ciśnieniowym według wynalazku charakteryzuje się tym, iż umiejscowiony w cylindrze tłok stanowi tłok pływający a objętość cylindra po drugiej stronie tłoka stanowi, zasilaną z zespołu sterowania procesem spalania, komorę spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, w którą wbudowane są, świeca zapłonowa, kolektor dolotowy mieszanki paliwowo-powietrznej oraz króciec wylotowy spalin.

Zaletą według wynalazku jest to, iż podczas sprężania za pomocą wybuchu mieszanki paliwowo-powietrznej zmiana ciśnienia następuje szybko i zgodnie z przemianą adiabatyczną wg zależności:

pV^k = const gdzie: p - ciśnienie, V - objętość, k - wykładnik adiabaty, dla powietrza k = 1,4. Zależność pomiędzy ciśnieniem i objętością na początku procesu sprężania η··Ί oraz na końcu sprężania «„K* . . . . .

^K2' ² jest więc następująca:

Pi^ =

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony na rysunku w postaci schematu, na którym fig. 1 przedstawia rozwiązanie według pierwszego przykładu wykonania a fig. 2 - rozwiązanie według przykładu wykonania drugiego.

Urządzenie do generowania ciśnienia gazu w zbiorniku ciśnieniowym w pierwszym przykładzie wykonania według wynalazku utworzone jest z cylindra 1 z pływającym tłokiem 2, którego objętość z jednej strony tłoka 2 stanowi komorę sprężania gazu 1a połączoną z jednokierunkowym zaworem 3 wlotowym gazu oraz z jednokierunkowym zaworem 4 wylotowym gazu, poprzez który komora sprężania gazu 1a połączona jest ze zbiornikiem ciśnieniowym 5, a objętość cylindra 1 po drugiej stronie tłoka 2 stanowi komorę spalania 1b mieszanki paliwowo-powietrznej w którą wbudowana jest świeca zapłonowa 6 oraz która poprzez zawór jednokierunkowy 7 wlotowy połączona jest z kolektorem 8 dolotowym mieszanki paliwowo-powietrznej oraz poprzez zawór jednokierunkowy 9 wylotowy połączona jest z króćcem 10 wylotowym spalin. Świeca zapłonowa 6 oraz kolektor 8 dolotowy mieszanki paliwowo-powietrznej połączone są z zespołem 11 sterowania procesem spalania dozującym do komory spalania 1b cylindra 1 dawkę mieszanki paliwowo-powietrznej, oraz generującym iskrę świecy zapłonowej 6. Element ustalający w stanie spoczynku położenie tłoka 2 stanowi sprężyna 12 usytuowana w komorze sprężania gazu 1 a, pomiędzy głowicą cylindra 1 a denkiem pływającego tłoka 2. Poza tym w cylinder 1 wbudowany jest połączony z zespołem 11 sterowania procesem spalania czujnik 13 położenia tłoka 2 w cylindrze 5. Aktualne położenie tłoka mierzone za pomocą czujnika przemieszczeń 13 i jego sygnał jest wykorzystywany w zespole 11 sterowania procesem spalania dla prawidłowego wyzwalania w czasie zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej oraz dla uzyskania warunków pracy w rezonansie, tj. doboru częstotliwości zapłonu do częstotliwości rezonansowej układu masa tłoka - sprężyna.

Urządzenie do generowania ciśnienia gazu w zbiorniku ciśnieniowym w drugim przykładzie wykonania według wynalazku utworzone jest jak w przykładzie wykonania pierwszym z tą różnicą, iż spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej realizowane jest w procesie spalania dwusuwowego. W związku z tym rozwiązanie nie zawiera zaworu jednokierunkowego 7 wlotowego oraz zaworu jednokierunkowego 9 wylotowego.

Sposób generowania ciśnienia gazu zwłaszcza powietrza w zbiorniku ciśnieniowym w pierwszym przykładzie realizacji według wynalazku polega na tym, iż w zbiorniku ciśnieniowym 5, proces sprężania gazu, zwłaszcza powietrza, realizuje się wtłoczeniem do tego zbiornika ciśnieniowego 5, poprzez zawór jednokierunkowy 4, gazu z komory sprężania gazu 1a cylindra 1, w której gaz spręża się pływającym tłokiem 2 poruszanym wzrostem ciśnienia w objętości cylindra przed tłokiem 2, który wywołuje się zapłonem mieszanki paliwowo-powietrznej. Energia wytwarzana podczas procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej powoduje przesunięcie tłoka 2 i sprężanie gazu w cylindrze 1 w objętości 1a za tłokiem 2 i zbiorniku ciśnieniowym 5. Powrót tłoka 2 do położenia wyjściowego odpowiadającego minimalnej objętości cylindra 1 przed tłokiem 2 następuje za pomocą sprężyny 12. W rozwiązaniu według wynalazku objętość, w której porusza się tłok 2 może być wielokrotnie mniejsza niż objętość zbiornika ciśnieniowego 1. Rozwiązanie według wynalazku ma za zadanie działać tak, iż po obniżeniu ciśnienia w zbiorniku ciśnieniowym 5 do określonej wartości zespół 11 sterowania procesem spalania poda odmierzoną dawkę mieszanki paliwowo-powietrznej i wyzwoli zapłon tej mieszanki w komorze spalania 1 b

PL 237 659 Β1 za pomocą świecy zapłonowej 6, co spowoduje przesunięcie tłoka 2 do położenia końcowego, w którym objętość 1 a za tłokiem 2 będzie minimalna i gaz zostanie wtłoczony do zbiornika ciśnieniowego 5. Zawór jednokierunkowy 4 (zwrotny) zapobiega powrotowi gazu ze zbiornika ciśnieniowego 5 do objętości 1a cylindra 1. Zawór jednokierunkowy 7 znajdujący się w kanale dolotowym 8, pozwala na zasysanie mieszanki paliwowo-powietrznej do komory spalania 1b. Podczas ruchu powrotnego tłoka 2 gaz będący wynikiem spalania mieszanki paliwowo-powietrznej zostanie wydalony za pomocą jednokierunkowego zaworu 9 wylotowego znajdującego się w króćcu wylotowym 10. W celu uzyskania wyższego ciśnienia konieczne jest spowodowanie ponownego zapłonu i powtórzenie procesu sprężania gazu w zbiorniku ciśnieniowym 5. Dla zwiększenia sprawności procesu sprężania gazu proponuje się, aby praca tłoka 2 pływającego odbywała się w warunkach rezonansu. Dla uzyskania rezonansu częstotliwość zapłonu powinna być równa częstotliwości rezonansowej układu masa tłoka 2 - sprężyna 12.

Częstotliwość drgań własnych tłumionych układu masa tłoka sprężyna zależy od masy tłoka m, współczynnika sztywności sprężyny k oraz współczynnika tłumienia c i dla drgań tłumionych przyjmuje postać.

= Jwf - b¹

2m

Natomiast maksymalna amplituda podczas rezonansu jest zależna od tłumienia w układzie. W warunkach rezonansu siła bezwładności tłoka 2 jest równoważona przez siłę w sprężynie 12 a siła pochodząca od procesu spalania jest wykorzystywana wyłącznie na pokonanie oporów ruchu oraz do realizacji procesu sprężania gazu. Położenie tłoka 2 jest mierzone za pomocą czujnika przemieszczeń 13 i informacja o aktualnym jego położeniu jest skierowana do zespołu 11 sterowania procesem spalania. Aktualne położenie tłoka 2 jest wykorzystywane w zespole 11 sterowania procesem spalania dla prawidłowego wyzwalania w czasie zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej oraz dla uzyskania warunków pracy w rezonansie, tj. doboru częstotliwości zapłonu do częstotliwości rezonansowej układu masa tłoka - sprężyna,

W rozwiązaniu zadaniem zespołu 11 jest również:

załączanie procesu doładowania zbiornika po obniżeniu ciśnienia poniżej pewnej wartości, dopasowanie częstotliwości zapłonu i procesu spalania do częstotliwości rezonansowej układu masa tłoka-sprężyna, dopasowanie wymuszenia pochodzącego od procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej do obciążenia - pochodzącego od procesu sprężania gazu zwłaszcza powietrza, ochrona zbiornika przed nadmiernym wzrostem ciśnienia, zapewnienie optymalnego przebiegu procesów doładowania zbiornika w zależności od szybkości odbioru sprężonego gazu ze zbiornika ciśnieniowego.

W rozwiązaniu według wynalazku w pierwszym przykładzie realizacji zespół 11 sterowania procesem spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, realizuje proces spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w komorze spalania 1 b jak podczas pracy silnika spalinowego czterosuwowego.

Sposób generowania ciśnienia gazu w zbiorniku ciśnieniowym w drugim przykładzie realizacji według wynalazku różni się od przykładu wykonania pierwszego tym, iż zespół 11 sterowania procesem spalania realizuje proces spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w komorze spalania 1 b jak podczas pracy silnika spalinowego dwusuwowego.

Claims (3)

1. Sposób generowania ciśnienia gazu zwłaszcza powietrza w zbiorniku ciśnieniowym, w którym ciśnienie gazu w zbiorniku ciśnieniowym podnosi się wtłoczeniem do niego poprzez zawór jednokierunkowy gazu z komory sprężania cylindra, w której gaz spręża się tłokiem znamienny tym, że gaz spręża się tłokiem (2) pływającym, który porusza się na skutek wzrostu ciśnienia w objętości cylindra (1) przed tłokiem (2), który wywołuje się zapłonem mieszanki paliwowo-powietrznej.

2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że tłok (2) pracuje w warunkach rezonansu mechanicznego.

3. Urządzenie do generowania ciśnienia gazu w zbiorniku ciśnieniowym w postaci cylindra z tłokiem, którego objętość z jednej strony tłoka stanowi komorę sprężania gazu połączoną z jednokierunkowym zaworem wlotowym gazu oraz jednokierunkowym zaworem wylotowymi gazu, poprzez który komora sprężania cylindra połączona jest ze zbiornikiem ciśnieniowym znamienne tym, że umiejscowiony w cylindrze (1) tłok (2) stanowi tłok pływający a objętość cylindra (1) po drugiej stronie tłoka (2) stanowi, zasilaną z zespołu (11) sterowania procesem spalania, komorę spalania (1b) mieszanki paliwowo-powietrznej, w którą wbudowane są świeca zapłonowa (6), kolektor (8) dolotowy mieszanki paliwowo-powietrznej oraz króciec (10) wylotowy spalin.