Низкотемпературный мотокомпрессорный узел с непрерывным "холодным" сжиганием и активной камерой, работающий, в частности, на сжатом воздухе и использующий устройство контроля хода поршня и активную камеру, содержащий холодильную камеру (29) для снижения до очень низких температур атмосферного воздуха, питающего входное устройство (28) воздушного компрессора (28, 25, 26, 33), который направляет сжатый рабочий воздух при низкой температуре во внешнюю камеру сгорания (19), снабженную устройством подогрева (19А) при постоянном давлении, где он увеличивает свой объем перед квазиизотермическим переходом в активную камеру (13), производя работу перед своим расширением в цилиндре (2) мотора, где он вновь производит работу. Применяется в наземном транспорте, автомобилях, автобусах, мотоциклах, кораблях, самолетах, в дорожных и вспомогательных электрогенераторах вместе со стационарными генераторами.

 

(57) Реферат / Формула:
мотокомпрессорный узел с непрерывным "холодным" сжиганием и активной камерой, работающий, в частности, на сжатом воздухе и использующий устройство контроля хода поршня и активную камеру, содержащий холодильную камеру (29) для снижения до очень низких температур атмосферного воздуха, питающего входное устройство (28) воздушного компрессора (28, 25, 26, 33), который направляет сжатый рабочий воздух при низкой температуре во внешнюю камеру сгорания (19), снабженную устройством подогрева (19А) при постоянном давлении, где он увеличивает свой объем перед квазиизотермическим переходом в активную камеру (13), производя работу перед своим расширением в цилиндре (2) мотора, где он вновь производит работу. Применяется в наземном транспорте, автомобилях, автобусах, мотоциклах, кораблях, самолетах, в дорожных и вспомогательных электрогенераторах вместе со стационарными генераторами.

 

---

2420-148978ЕА/032 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ МОТОКОМПРЕССОРНЫЙ УЗЕЛ С НЕПРЕРЫВНЫМ "ХОЛОДНЫМ" СГОРАНИЕМ ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ И С АКТИВНОЙ
КАМЕРОЙ
Изобретение относится к мотокомпрессорному узлу, работающему, в частности, со сжатым воздухом и использующему устройство контроля хода поршня для остановки поршня в верхней мертвой точке на определенный период времени и вращения мотора, а также к активной камере с изменяемым рабочим объемом, к встроенному, либо невстроенному компрессорному устройству и к устройству рекуперации тепловой энергии окружающей среды, функционирующему только от энергии топлива или сжатого воздуха или от двух источников энергии - топлива и сжатого воздуха -одновременно или попеременно.
Заявителю принадлежит ряд патентов, касающихся как моторизации, так и установок, использующих сжатый воздух для работы как в городе, так и в пригороде, в частности, W0 96/27737; W0 97/00655; WO 97/39232; WO 97/48884; WO 98/12062; WO 98/15440; WO 98/32963; WO 99/37885.
Для внедрения раскрытых в этих патентах изобретений в принадлежащем заявителю патенте WO 99/63206 предложены способ и устройство контроля хода поршней мотора, фиксирующее верхнюю мертвую точку поршней; функционирование этих моторов описано также в патенте WO99/20881, работающих только от одного, или двух или трех источников питания.
В заявке на патент WO 99/37885 предложено решение, которое позволяет повысить количество используемой и запасенной энергии и характеризуется тем, что сжатый воздух перед его введением в камеру сгорания и/или расширительную камеру из резервуара для хранения, направляется непосредственно или после его прохождения через один или несколько теплообменников устройства рекуперации энергии окружающей среды и перед его введением в камеру сгорания, в термонагреватель, где, путем повышения его температуры дополнительно повышается его давление и/или объем перед его введением в камеру сгорания и/или расширительную камеру мотора, в результате чего значительно повышается
производительность последнего.
Использование термонагревателя, несмотря на применение природного топлива, имеет преимущества в использовании непрерывного незагрязняющего окружающую среду сжи:?ания, производимого любыми известными средствами с использованием катализаторов и очистителей.
В патенте № W0 03/036088, принадлежащем заявителю, описан мотокомпрессор-мотогенератор переменного тока с дополнительным впрыском сжатого воздуха, работающий от одного или нескольких источников энергии.
В двигателях такого типа, работающих на сжатом воздухе высокого давления и содержащих резервуар высокого давления, необходимо снижать давление сжатого воздуха, содержащегося в резервуаре высокого давления, в котором давление уменьшается по мере его опорожнения до стабильного промежуточного значения, называемого конечным используемым давлением в промежуточной емкости перед его использованием в одном или нескольких цилиндрах мотора. Стандартные, широко ипользуемые редукторы с клапанами и пружинами имеют малую производительность, и их использование требует применения тяжелых и малопроизводительных аппаратов; кроме того, они имеют высокую чувствительность к обледенению, вызванному повышенной влажностью воздуха, охлаждаемого при уменьшении давления.
Данная проблема была решена заявителем в его заявке. на патент WO 03/08 97 64, относящейся к динамическому редуктору с изменяемым расходом для моторов, питаемых сжатым воздухом и содержащим резервуар для сжатого воздуха высокого давления и рабочую емкость.
Заявка на патент WO 02/070876, принадлежащая заявителю, касается расширительной камеры с изменяемым объемом, образованной двумя раздельными емкостями, одна из которых связана со входом сжатого воздуха, а другая спарена с цилиндром и может быть связана с ними или быть изолированной таким образом, чтобы в течение цикла выхлопа можно было заполнить сжатым воздухом первую из этих емкостей, затем установить давление во второй по окончании цикла выхлопа в тот момент,
3 : . .
когда поршень находится в верхней мертвой точке перед началом движения, при этом обе емкости сообщаются между собой и в них происходит -общее редуцирование для обеспечения такта мотора, и при этом одна из емкостей содержит средства для изменения ее объема, что позволяет при равном давлении изменять результирующий крутящий момент мотора.
В этих устройствах с редуцированием нагрузки замена камеры всегда оказывает отрицательное воздействие на общую производительность машины.
Для решения последней проблемы заявителем была подана заявка на патент W0 2005/049968, касающаяся мотора с активной камерой, использующей устройство остановки в верхней мертвой точке, который предпочтительно питается сжатым воздухом или любым другим сжатым газом, хранящемся в резервуаре высокого давления, через промежуточную емкость, называемую рабочей емкостью. Рабочая емкость в версии с двумя источниками питания содержит устройства нагрева питающего воздуха от дополнительного источника энергии (природного топлива или иного источника энергии), позволяющего повысить температуру и объем пропускаемого воздуха. Рабочей емкостью является камера внешнего сгорания.
В моторе этого типа внутренняя расширительная камера выполнена с изменяемым объемом, снабжена средствами производства работ, является спаренной и соединена каналом постоянно с пространством над главным рабочим цилиндром мотора. При остановке поршня в верхней мертвой точке рабочий воздух под давлением поступает в расширительную камеру, когда последняя имеет наименьший объем, и, под действием давления, она увеличивает свой объем, производя работу, затем сжатый рабочий воздух, находящийся в указанной расширительной камере, расширяется затем в цилиндре мотора, толкая, таким образом, поршень двигателя и производит, в свою очередь, работу, в то время как при . подъеме поршня двигателя в течение выхлопа двигателя изменяемый объем расширительной камеры уменьшается до минимального значения для того, чтобы начать новый полный рабочий цикл.
¦ Термодинамический цикл мотора с активной камерой содержит, таким образом, четыре фазы при питании только сжатым воздухом:
- изотермическое расширение без совершения работы;
легкий расширительный переход с квазиизотермическим типом совершения работы;
- политропное расширение с совершением работы;
- сброс давления до квазивнешнего.
При использовании энергии двух видов с дополнительным использованием топлива воздушный компрессор питает или резервуар высокого давления, или рабочую емкость (камеру сгорания) или же две емкости в комбинации.
Мотор с активной камерой может также питаться от ¦ одного источника природной энергии. В версии, описанной выше, резервуар для хранения сжатого воздуха высокого давления просто исключается.
Мотор с активной камерой является мотором с камерой внешнего сгорания, во всяком случае, сжигание в нагревателе может быть или внутренним, называемым "внешне внутренний", приводящим пламя непосредственно в контакт с рабочим сжатым воздухом, либо "внешне внешний" с нагревом рабочего воздуха при проходе через теплообменник.
Этот тип двигателя работает при сгорании при постоянном давлении и переменном объеме в соответствии с выражениями:
PV1 = nRTl PV2 = nRT2,
откуда при Р постоянном V1/V2 = Т1/Т2
Повышение температуры при постоянном давлении имеет следствием повышение в той же пропорции объема сжатого воздуха и повышение объема в N раз, вызывающее идентичное повышение температуры в N раз.
При использовании двух источников энергии и автономном функционировании с дополнительным источником энергии, когда сжатый воздух поступает в резервуар высокого давления, в этом случае термодинамический цикл содержит семь фаз:
- всасывание;
- компрессию;
¦ - изотермическое расширение в рабочей емкости;
- повышение температуры;
легкий расширительный переход с совершением работы (¦называемый изотермическим) ;
-'политропное расширение с совершением работы;
- сброс давления до квазивнешнего.
Когда сжатый воздух поступает непосредственно в рабочую емкость или камеру сгорания, термодинамический цикл содержит шесть следующих фаз:
- всасывание;
- компрессию;
- повышение температуры;
легкий расширительный переход с совершением работы, называемый 'изотермическим;
- политропное расширение с совершением работы;
- сброс давления до квазивнешнего.
В моторе данного типа с использованием двух типов энергии температура сжатого воздуха, поступающего в рабочую емкость или камеру сгорания, приводится к температуре, равной комнатной температуре, если воздух забирается из резервуара для хранения воздуха высокого давления, и превышающей комнатную температуру, если он поступает непосредственно из компрессора, и увех:ичение объема обеспечивается в фазе, следующей за циклом повышения температуры.
Выходящий из компрессора воздух может достигать значений температуры, превышающей комнатную температуру примерно на 400°С.
Например, для питания активной камеры объемом 30 куб. см при давлении 30 бар в резервуаре хранения сжатого Еоздуха предусмотрена нагрузочная порция сжатого воздуха объемом 5 куб.см для введения в рабочую камеру и нагревания до давления в 30 бар и комнатной температуры в 293 -К (20°С) необходимо произвести сжигание, которое повысит температуру в б раз относительно начального значения, или 1758 К или 1485°С.
В случае, когда нагрузочная порция в 5 куб.см выходит непосредственно из компрессора, она имеет температуру, равную
693°К (420°С) и, для получения того же результата, температура нагрузочной порции должна быть доведена до 2158°К или 1885°С.
Использование повышенных температур в камере внешнего сгорания приводит ко многим ограничениям в выборе материалов, охлаждению и выбросу загрязнений, в частности NOx (окислами азота), которые образуются при температуре ниже 1000°С.
Низкотемпературный мотокомпрессорный узел низкого давления с непрерывным "холодным" сжиганием при постоянном давлении и активной камерой в соответствии с изобретением позволяет, решить вышеуказанные проблемы, обеспечивая преимущества эквивалентных характеристик сжигания гораздо более холодных, которые неожиданно приводят к значительному повышению
производительности двигателя.
Предложенный низкотемпературный мотокомпрессор с активной камерой отличается тем, что содержит холодильную камеру, позволяющую понизить до очень низких температур атмосферный воздух, которым запитывается воздушный компрессор, р;оторый нагнетает далее этот сжатый рабочий воздух, при еще более низких температурах, в рабочую емкость или внешнюю камеру сгорания, снабженную подогревателем воздуха, где он значительно увеличивается в объеме для последующего перемещения в активную камеру, описанную в патенте по WO 2005/049968, которая, в свою очередь, отличается тем, что в момент остановки поршня двигателя в верхней мертвой точке, воздух или газ под давлением поступают в расширительную камеру, когда последняя имеет наименьший объем и под действием этого давления увеличивает свой объем, производя работу, при этом давление сжатого воздуха, содержащегося в расширительной камере, дополнительно снижается в цилиндре двигателя, опуская поршень двигателя и совершая, в свою очередь, работу, а при подъеме поршня мотора во время выхлопа изменяемый объем расширительной камеры приходит к наименьшему объему для возобновления полного рабочего цикла.
Термодинамический цикл согласно изобретению отличается тем, что содержит 7 фаз:
- значительное снижение температуры атмосферного воздуха;
- всасывание;
'- компрессию;
- повышение температуры (сжигание при постоянном объеме) ;
- квазиизотермический переход;
- политропное расширение;
- сброс давления до практически атмосферного. Предпочтительно, чтобы поступающий в компрессор воздух
являлся сильно охлажденным в холодильной камере холодильной (или криогенной) машины, использующей . жидкости, которые абсорбируют тепло при испарении, в которой холодильная или криогенная жидкость, находясь первоначально в газообразном состоянии, сжимается в криогенном компрессоре и поступает в змеевик, где она превращается в жидкость; это явление сжижения происходит под воздействием температуры, и затем жидкость поступает в испаритель, размещенный в холодильной камере (явление поглощения тепла). Полученный таким образом пар возвращается в компрессор и цикл может повториться. Рабочий воздух, содержащийся в холодильной камере, который является сильно охлажденным и сжатым, всасывается и сжимается воздушным компрессом еще при низкой температуре, и поступает далее в камеру сгорания, где он нагревается и значительно увеличивается в объеме перед его изотермическим квазипереходом в активную камеру, производящим работу перед его политропным расширением в цилиндре мотора, производящим работу.
В качестве примера, при нагрузочной порции в 5 куб. 'см, поступающей непосредственно из воздушного компрессора в рабочую камеру сгорания при давлении в 30 бар и температуре в 90 К, для питания давлением в 30 бар. активной камеры в 30 куб.см необходимо осуществить сжигание, которое поднимет температуру в 6 раз от начального значения, или 540 К или 267°С.
Предпочтительно, чтобы рабочий воздух на выходе из компрессора еще при низкой температуре проходил через подогреватель "воздух-воздух" перед поступлением в камеру сгорания и, практически возвращался к температуре окружающей среды при значительном увеличении в объеме перед его поступлением в камеру сгорания. В этом случае значительно уменьшается необходимая термоэнергетическая поддержка.
'В качестве примера, в случае, когда нагрузочная порция в 5 куб.см, поступающая из воздушного компрессора при 90 К, проходит через нагреватель "воздух-воздух" и, следовательно, его температура практически повышается- до комнатной, или до 270 К, объем, вводимый в рабочую нагревательную камеру, составляет 15 куб.см и для питания активной камеры давлением в 30 бар необходимо осуществлять сжигание, которое повышает
первоначальную температуру в 2 раза (или 540°К), обеспечивая, в результате, значительную экономию энергии топлива.
Предпочтительно также, чтобы сжатый рабочий воздух еще при низкой температуре из воздушного компрессора направлялся в резервуар хранения высокого давления, где, в зависимости от его объема и времени хранения, он практически возвращался к комнатной температуре, и затем редуцировался предпочтительно динамическим редуктором (раскрытым в WO 03/089764) до среднего рабочего давления в камере сгорания, где бы он нагревался и значительно увеличивал свой объем перед квазиизотермическим переходом в активную камеру, производящим работу, перед политропным расширением в цилиндре мотора, производящим, в свою очередь, работу.
В зависимости от объема резервуара и времени хранения в нем возврат к комнатной температуре может быть достигнут путем смешивания с воздухом, уже имеющемся в резервуаре. Целесообразно ввести между компрессором и резервуаром нагреватель "воздух-воздух" для ускорения возврата к комнатной температуре.
Термодинамический цикл по данному варианту осуществления изобретения отличается тем, что он содержит 9 фаз:
- сильное понижение температуры окружающего воздуха;
- всасывание;
- компрессию;
- возврат к комнатной температуре при .постоянном давлении;
- изотермическое расширение;
- повышение температуры (сгорание при постоянном объеме);
- квазиизотермический переход;
- политропное расширение;
¦ - сброс давления до атмосферного.
Низкотемпературный мотокомпрессорный узел с активной камерой согласно изобретению работает одинаково в двух вариантах, то есть, когда воздушный компрессор питает либо резервуар высокого давления для хранения, либо камеру сгорания, подключаемые параллельно к выходу из воздушного компрессора, либо оба в комбинации для замены резервуара высокого давления для хранения в процессе работы узла. В последнем случае предпочтительно использовать вспомогательный компрессор, размещенный за параллельным включением на трубопроводе, ведущем к резервуару высокого давления для заполнения последнего, а также питания камеры сгорания средним давлением.
В последнем случае управление узлом осуществляется предпочтительно путем контроля давления в камере сгорания динамическим редуктором, размещенным перед указанной камерой сгорания.
Предпочтительно использовать для нагрева рабочей камеры термохимические способы, основанные на процессах абсорбции и десорбции, как описано, например, в патентах ЕР 0307297А1 и ЕР 0382586В1; в этих способах используется испарение жидкости, например, жидкого аммиака, и превращение его в газ, взаимодействующий с солями, например, хлоридами кальция, магния или другими. Система работает как термобатарея, в которой в первой фазе при испарении запаса аммиака, хранящегося в испарителе, происходит, с одной стороны, охлаждение, и с другой химическая реакция в реакторе, содержащем соли, которая вызывает выделение тепла. Когда запас аммиака исчерпывается, система переходит во вторую фазу, в которой благодаря теплу реактора реакция идет в обратную сторону, когда газообразный аммиак отдает хлориды и возвращается в жидкое состояние путем конденсации.
Описанный выше термохимический нагреватель использует тепло, производимое в фазе 1, для повышения давления и/или объема сжатого воздуха из резервуара хранения высокого давления перед его введением в расширительную камеру цилиндра мотора.
В фазе 2 система регенерирует благодаря теплу, выделяемому
ю ¦ ¦ ¦
при'работе мотора и других источников тепла.
Целесообразно, чтобы мотокомпрессор - мотогенератор переменного тока был снабжен термонагревателем с горелкой и описанным выше термохимическим нагревателем, который может быть использован совместно или последовательно в фазе 1 термохимического нагревателя, причем горелочный
термонагреватель позволяет осуществить регенерацию (фаза 2) термохимического нагревателя, когда последний пуст при нагреве своего реактора при последующем функционировании узла при использовании горелочного нагревателя.
Предпочтительно, чтобы низкотемпературный мотокомпрессор с активной камерой использовал внешнюю камеру сгорания, в которой сжатый рабочий воздух не находится в контакте с пламенем, а нагрев сжатого воздуха осуществлялся с помощью теплообменника "воздух-воздух". Воздух, выходящий из мотора в данном случае рециклирует в холодильной камере холодильной или криогенной машины, для возобновления нового цикла и низкотемпературный мотокомпрессорный узел работает в замкнутом цикле. В этом случае поступление атмосферного воздуха в холодильную камеру блокируется. Это решение позволяет вводить обратно в холодильную камеру расширенный до атмосферного давления воздух с легким его превышением и с температурой, несколько меньшей комнатной. В качестве примера, в активную камеру вводится нагрузочная порция в 30 куб.см при температуре в 540 К (267°С) и расширяется в объеме в цилиндре мотора в 300 куб.см, достигая температуры в 200 К (-73°С), облегчая его охлаждение в холодильной камере холодильной, или криогенной машины.
В этом случае рабочий воздух может быть предпочтительно заменен сухим газом, таким как азот, который не образует инея на теплообменнике испарителя холодильной камеры, что повышает ее производительность.
В случае, когда температура выхлопа- двигателя превышает комнатную, теплообменник "воздух-воздух", позволяющий доводить температуру выходящего из двигателя воздуха до практически комнатной, размещают на трубопроводе перед холодильной камерой.
Низкотемпературный мотокомпрессорный узел с' активной
камерой, работающий в моноэнергетическом воздушном режиме без внешней энергетической поддержки и с использованием воздуха из резервуара - для хранения, объем которого увеличивается, предпочтительно, динамическим редуктором по патенту W0 03/08 97 64, до среднего давления в камере сгорания перед квазиизотермическим переходом в активную камеру при совершении работы перед политропным расширением в цилиндре мотора, производящем, в свою очередь, работу.
В этом случае, компрессор работает вхолостую при закрытых подводящих и отводящих трубопроводах указанного закрытого компрессора, при этом компрессор холодильной машины не запускается, пока не включается устройство подогрева камеры сгорания.
В соответствии с вариантом функционирования
мотокомпрессорного узла по изобретению с двуэнергетическим источником с использованием сжатого воздуха, содержащегося в резервуаре для хранения," редуцируемого, предпочтительно, динамическим редуктором по W0 03/089764 до среднего давления в камере сгорания, где он подогревается и значительно увеличивается в объеме перед квазиизотермическим переходом в активную камеру с произведением работы перед политропным расширением в цилиндре мотора, производящим, в свою очередь, работу.
В этом случае компрессор совершает холостой ход, поддерживая трубопроводы впуска и выхлопа закрытыми, и компрессор холодильной машины не работает до тех пор, пока не включится устройство подогрева камеры сгорания.
Целесообразно, чтобы мотокомпрессорный узел работал от двух источников энергии, то есть от источника энергии воздуха при определенных условиях использования, например, при движении автомобиля в городе, и/или источника энергии топлива, при других условиях использования, например, того же автомобиля на дороге.
Трубопровод выхлопа компрессора питает последовательно или одновременно камеру сгорания и/или резервуар хранения высокого давления путем параллельного подключения при контролируемом
12 • - •
расходе к ¦ выхлопному трубопроводу. Для ¦ одновременного обеспечения хранения при высоком давлении и горения при среднем рабочем давлении используют вспомогательный воздушный компрессор, размещаемый на трубопроводе между параллельным подключением и резервуаром для хранения.
Способ компрессии холодильной машины, испарители и теплообменники, используемые материалы, холодильные или криогенные агенты, используемые для воплощения изобретения, могут варьироваться, без изменения сущности изобретения.-
Для обеспечения заданного результата в качестве холодильных и криогенных агентов могут использоваться азот, водород, гелий.
Все механические, гидравлические, электрические и другие устройства,' обеспечивающие цикл охлаждения, компрессии, работы активной камеры, а именно введение нагрузочной порции, получаемой увеличением объема, производящего работу, а также поддержание заданного объема", который является реальным объемом камеры во время хода расширения поршня мотора, с последующим возвратом к минимальному объему для начала нового цикла, могут быть использованы без изменения сущности описанного выше изобретения.
Предпочтительно, чтобы расширительная камера с изменяемым объемом, называемая активной камерой, была образована поршнем, называемым нагрузочным поршнем, связанным шатуном с коленчатым валом мотора. Любые другие механические, электрические или гидравлические устройства, позволяющие осуществить те же функции и термодинамический цикл согласно изобретению, могут быть использованы без изменения сущности изобретения.
Предпочтительно, чтобы элементы узла устройства (поршень и рычаг давления) были сбалансированы путем продолжения внутреннего рычага по другую сторону его неподвижного конца, или пяты вала, рычагом давления, расположенным зеркально по направлению, симметрии и с идентичной инерцией и с которым он соединен и может перемещаться по оси, параллельной оси перемещения поршня, при этом инерционная масса была идентична и направлена оппозитно направлению движения массы' поршня.
13. ¦ • •
Инерцией называют произведение массы на расстояние от центра тяжести до точки отсчета. В случае многоцилиндрового мотора в качесте противовесной (оппозитной) массы может выступать поршень, работающий обычно как уравновешивающий поршень.
Предпочтительно, чтобы устройство по настоящему изобретению использовало вышеуказанную конфигурацию, при которой ось цилиндров противоположно направленных цилиндров и неподвижная точка рычага давления были размещены строго по одной оси и где ось шатуна управления связана с коленчатым валом и размещена, с другой стороны, не на общей оси шарнирных траверз, а на самом плече между общей осью и фиксированной точкой или пятой. В связи с этим внутренний рычаг -и его симметрия представляют собой единый рычаг с пятой,, или фиксированной точкой, строго в его центре, и обе оси каждым из свободных концов связаны с противонаправленными поршнями.
Число цилиндров может изменяться без изменения существа изобретения, хотя предпочтение отдается узлам с многими парами двух противонаправленных цилиндров, или же для получения большей циклической регулярности, следует выбирать более двух цилиндров, например, четыре или шесть.
При функционировании в моноэнергетическом режиме со сжатым воздухом, например, в городском режиме, для работы используется только давление сжатого воздуха из резервуара высокого давления; при работе автомобиля на природном топливе (или ином), например, на трассе, управляемый подогрев емкости позволяет повысить температуру воздуха и, следовательно, объем и/или давление, используемое для совершения работы в камере и для редуцирования.
Предпочтительно, чтобы мотор согласно по изобретению управлялся путем контроля давления в камере сгорания и микроконтроллер контролировал количество энергии природного топлива, используемого в качестве дополнительного источника энергии в зависимости от давления в указанной рабочей камере.
Предпочтительно, чтобы рабочий воздушный компрессор был многоступенчатым. В этом случае воздух будет охлаждаться между степенями путем его пропускания через холодильную или
14 ¦ ¦
криогенную машину, при этом рабочий объем каждой следующей ступени будет ниже рабочего объема предыдущей ступени.
Предпочтительно также, чтобы мотор был выполнен с многоступенчатым редуцированием каждой ступени, содержащей активную камеру по изобретению, при этом между каждой ступенью был размещен теплообменник, позволяющий нагревать воздух, выходящий из предыдущей ступени, а также устройство нагрева с помощью дополнительной энергии. Рабочий объем последующей ступени должен превышать рабочий объем предыдущей ступени.
В случае моноэнергетического узла, питаемого сжатым воздухом, расширение в первом цилиндре ведет к понижению температуры, причем нагрев воздуха будет осуществляться предпочтительно в теплообменнике с комнатной температурой.
В случае биэнергетического мотора с дополнительной энергией прибегают к нагреву воздуха дополнительной энергией в термонагревателе, например, на природном топливе. В соответствии с вариантом такого расположения после каждой воздушной ступени выпускаемый воздух направляется к единственному многоступенчатому нагревателю.
Теплообменники могут быть типа "воздух-воздух", или "воздух-жидкость", или могут использовать любое другое устройство или газ для получения нужного эффекта.
Низкотемпературный мотокомпрессорный узел с непрерывным "холодным" сжиганием использует предпочтительно активную камеру по патенту W0 2005/049968. В соответствии с множеством вариантов изобретения можно использовать редукционные устройства подходящих моторов, таких, как классический кривошипно-шатунный, ротационные поршни или иные, подходящие для многоступенчатых компрессионных устройств, включающих в себя попеременные поршни, вращающиеся поршни, турбины, которые можно использовать без изменения сущности описанного выше изобретения.
Низкотемпературный мотокомпрессорный узел с активной камерой согласно изобретению может быть использован на любых наземных, морских, железнодорожных воздушных транспортных средствах.
Низкотемпературный мотокомпрессорный узел с активной камерой по изобретению может найти свое применение во вспомогательных электрогенераторах, при производстве ремонтных работ и получении электроэнергии, а также многочисленные применения в домашнем хозяйстве для когенерации электричества, тепла и кондиционирования воздуха.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющемся ограничительным, со ссылками на сопровождающие фигуры чертежей, в числе которых:
Фиг.1 изображает схематичный вид в поперечном разрезе мотокомпрессорной группы с холодным сжиганием и активной камерой согласно изобретению;
Фиг.2-4 изображают схематичные виды в поперечном разрезе различных фаз функционирования мотокомпрессорного узла согласно изобретению;
Фиг. 5 схематично представляет мотокомпрессорный узел согласно изобретению в конфигурации моноэнергетического питания природным топливом;
Фиг. 6 схематично представляет мотокомпрессорный узел согласно изобретению в конфигурации биэнергетического питания;
Фиг. 7 схематично представляет мотокомпрессорный узел согласно изобретению в конфигурации с закрытым циклом и внешне-внешней камерой сгорания.
Фиг.1 схематично представляет вид в поперечном р> азрезе низкотемпературного мотокомпрессорного узла с активной камерой согласно изобретению, содержащего три принципиальных элемента: холодильную или криогенную машину А, мотокомпрессор В и устройство внешнего сгорания С, на котором можно видеть поршень 1 мотора (показанный в верхней мертвой точке), скользящий в цилиндре 2 и управляемый рычагом давления. Поршень 1 мотора связан осью 1А со свободным концом рычага давления, образованного шарнирной траверсой 3, соединенной общей осью 5 с другим рычагом 4, совершающим колебательные движения на неподвижной оси 6 и соединенным точно в центре с размещенным на оси 4 А рычагом 7 управления, связанным с шатунной шейкой 8 коленчатого вала 9, вращающегося на оси 10. Во время вращения
коленчатого вала рычаг 7 управления через внутренний рычаг 4 и его ось 4А передает усилие на общую ось 5 двух рычагов 3 и 4 рычага давления, позволяющее осуществить перемещение поршня 1 по оси цилиндра 2 и возврат на коленчатый вал 9 усилий, воздействующих на поршень 1 во время работы мотора и вызывающих его вращение. Цилиндр мотора связан каналом 12, размещенным в его верхней части, с цилиндром активной камеры 13, в котором перемещается поршень 14, называемый нагрузочным псршнем, связанным шатуном 15 с шатунной шейкой 16 коленчатого вала 9. Впускной канал 17, управляемый клапаном 18, открывается в канал 12, связывающий цилиндр мотора 2 и цилиндр активной камеры 13 и позволяет питать мотор сжатым воздухом, поступающим из р-абочей камеры 19, которая содержит устройство непрерывного горения или практически непрерывного, содержащее горелку 19А, которая может быть запитана природным или биологическим топливом, а также спиртом или газом при практически постоянном давлении. В верхней части цилиндра 2 мотора имеется выпускной трубопровод, управляемый выпускным клапаном 24.
Поршень 1 двигателя содержит выполненную заодно с корпусом вторую ступень 25, компрессионный поршень которой скользит вместе с поршнем 1 мотора в компрессионном цилиндре 2 6, питаемым атмосферным воздухом при очень низких температурах по трубопроводу 27 через клапан 28 от холодильной камеры 29, в которой размещен испаритель 30 холодильной или крис-генной машины А, содержащей также компрессор 31 криогенной жидкости, приводимый коленчатым валом 10 (привод не показан на чертеже), а также сжижающий теплообменник 32. Компрессионный цилиндр 2 6 содержит также в своей верхней части выпускной клапан 33, который позволяет по выпускному трубопроводу 34 запитывать камеру сгорания 19 после прохода через теплообменник 35 с окружающей средой.
Ускорительная дроссельная заслонка 29А размещена на входе холодильной камеры 2 9 для обеспечений управления узлом.
На фиг.2 схематично представлен вид в поперечном разрезе мотора с активной камерой по изобретению в начальный период, при этом поршень 1 мотора находится в верхней мертвой точке, а
впускной клапан 18 начинает открываться, причем давление сжатого воздуха в рабочей емкости 19 опускает нагрузочный поршень 14, заполняя цилиндр активной камеры 13, и производит работу, воздействуя шатуном 15 на коленчатый вал 9, причем работа является значительной, так как осуществляется при почти постоянном давлении.
Продолжая свое вращение, коленчатый вал вызывает (фиг.З) перемещение поршня 1 мотора к нижней верхней точке, практически синхронно закрывая клапан 18; давление в активной камере воздействует на поршень 1 мотора, который, в свою очередь, производит работу, вызывая вращение коленчатого вала 9 в направлении сочлененных с ним рычагов 3 и 4 и рычага 7 управления.
Поршень 1 мотора при опускании воздействует на компрессионный поршень 25, который всасывает сильно охлажденный атмосферный воздух в холодильную камеру 29, в которой установлен низкотемпературный испаритель 30 криогенной машины, тогда как газообразный криогенный агент предварительно сжимается компрессором 31 в теплообменнике 32 (источник тепла), где он сжижается перед поступлением в испаритель 30 (источник холода), где давление является более низким, где он испаряется (поглощая тепло) в газообразное состояние перед возвратом в компрессор 31, и цикл повторяется.
В течение цикла поршня 1 мотора нагрузочный поршень 14 продолжает свое движение к нижней мертвой точке и начинает подниматься к верхней мертвой точке, при этом элементы соединены таким образом, что в течение хода вверх поршней (см. фиг.4) нагрузочный поршень 14 и поршень 1 мотора подходят практически синхронно вместе к верхней мертвой точке, где поршень 1 мотора останавливается, а нагрузочный поршень 14 вновь опускается, чтобы возобновить цикл. Во время хода подъема двух поршней 1,14 выхлопной клапан 24 открыт для выхода сжатого воздуха через выходной трубопровод 23, тогда как компрессионный поршень 2 5 выталкивает сжатый воздух при низкой температуре через теплообменник 35, где этот сжатый воздух возвращается к температуре, близкой к комнатной, увеличивая свой объем, чтобы
дальше поступить в камеру сгорания 19.
На фиг. 5 представлен схематичный вид в поперечном р> азрезе мотокомпрессорного узла по изобретению, где сжатый воздух еще при низкой температуре на выходе из воздушного компр> ессора направляется в резервуар хранения высокого давления большого объема; представленный схематичный вид в поперечном р> азрезе низкотемпературного мотокомпрессорного узла по изобретению содержит три основных элемента - холодильную или криогенную машину А, мотокомпрессор В и устройство внешнего сгорания С, а также резервуар хранения высокого давления, где можно видеть: поршень 1 мотора (показанный в верхней мертвой точке), скользящий в цилиндре 2 и управляемый рычагом давления. Поршень 1 мотора связан через ось на свободном конце 1А с рычагом управления, образованным шарнирной траверсой 3, связанной общей осью 5 с другим рычагом 4, совершающим колебательные движения на неподвижной оси 6. На общей оси 5 с двумя рычагами 3 и 4 сочленен рычаг 7 управления, связанный с шатунной шейкой 8 коленчатого вала 9, вращающегося на оси 10. Во время вращения коленчатого вала рычаг 7 управления воздействует на общую ось 5 двух рычагов 3 и 4 рычага давления, осуществляя, таким образом, перемещение поршня 1 по оси цилиндра 2 и приводя во вращение коленчатый вал 9 давлением, оказываемым на поршень 1, вызывая, таким образом, вращение мотора. Цилиндр мотора связан через канал 12 своей верхней частью с цилиндром активной камеры 13, в которой скользит поршень 14, называемый нагрузочным поршнем и связанный шатуном 15 с шатунной шейкой 16 коленчатого вала 9. Впускной канал 17, управляемый клапаном 18, открывается в канал
12, связывающий цилиндр мотора 2 с цилиндром активной камеры
13, и позволяет питать мотор сжатым воздухом, выходящим из рабочей камеры 19, которая содержит устройство непрерывного или практически непрерывного горения, представляющее собой горелку 19А, которая может питаться природным или биологическим топливом, также растительным маслом спиртом или газом, поступающим практически под постоянным давлением, поддерживаемым сжатым воздухом, подаваемым из резервуара высокого давления 22 через трубопровод 20 и управляемым
динамическим редуктором 21. В верхней части цилиндр мотора 2 снабжен выходным трубопроводом 23, управляемым выхлопным клапаном 24.
Поршень 1 мотора содержит размещенную в корпусе вторую ступень 25, выполненную в виде компрессионного поршня, который скользит вместе с поршнем 1 мотора в компрессионном цилиндре 2 6, питаемом воздухом при атмосферном давлении при низких температурах через клапан 2 8 трубопровода 27, выходящим из холодильной камеры 29, в которой размещен испаритель 30 холодильной или криогенной машины А, содержащей компрессор 31 хладагента, приводимый от коленчатого вала 10 (привод не показан на чертеже), и сжижающий теплообменник 32. Компрессионный цилиндр 2 6 содержит также в верхней своей части выходной клапан 33, который позволяет через трубопровод 34 питать камеру сгорания 19 после прохода через теплообменник 35А с температурой окружающей среды.
Устройство, управляемое ускорительным устройством, совмещенным с ускорительной заслонкой 2 9А, воздействует на динамический редуктор 21 для обеспечения регулирования давления в рабочей камере и управления, таким образом, мотором.
Фиг. б представляет схематичный вид в поперечном разрезе мотокомпрессорного узла по изобретению в биэнергетической версии в двух режимах работы, где воздушный компрессор! узла питает или резервуар 22 хранения высокого давления, или камеру сгорания 19, или оба потребителя одновременно. Выходной трубопровод 34 компрессора содержит обводную линию 34А к камере сгорания 19, проходящую через теплообменник 35 "воздух-воздух", и трубопровод 34В к резервуару 22 хранения высокого давления, проходящий через теплообменник 35А для приведения температуры сжатого воздуха к температуре, близкой к комнатной, перед его введением в резервуар хранения высокого давления. Вспомогательный воздушный компрессор 36 размещен на трубопроводе 34В между обводной линией 34А и резервуаром, чтобы обеспечить хранение сжатого воздуха в резервуаре 22 при давлении, превышающем рабочее давление камеры сгорания 19. В зависимости от характеристик и размеров вспомогательного
компрессора, обеспечивающего температуры сжатого воздуха, вспомогательный компрессор 36 размещен до или после теплообменника 35А. Такая конфигурация по изобретению позволяет заполнить резервуар 22 при работе узла.
Управляемый клапан 34С позволяет по необходимости распределить поток сжатого воздуха в камеру сгорания; и в резервуар.
Фиг.7 схематично представляет вид в поперечном разрезе низкотемпературного мотокомпрессорного узла непрерывного "холодного" сгорания при постоянном давлении и активной камеры с закрытым циклом, функционирующей с камерой сгорания "Е,нешне-внешней", где можно видеть в элементах А и В элементы, идентичные вышеописанным элементам, за исключением выхлопного трубопровода 23, который рециркулируется трубопроводом 37 в холодильную камеру 29. "Внешне-внешняя" камера сгорания образована горелкой 19А, работающей в качестве нагревателя или топки, которая через теплообменник 19В "воздух-воздух" подогревает расширительную камеру 19С, в которой сжатый до рабочего давления воздух приобретает температуру окружающей среды и, проходя по трубопроводу 34 и теплообменнику 35, повышает температуру и объем при постоянном давлении и опускает нагрузочный поршень 14, заполняя цилиндр активной камеры 13, производя работу и через шатун 15 вызывает вращение коленчатого вала 9, чтобы затем политропно уменьшится в цилиндре 2 мотора, в котором он толкает поршень 1 мотора, который производит, в свою очередь, работу, вызывая вращение коленчатого вала 9 через подвижные связи. Трубопровод 19D для выхода горячего воздуха от горелки выбрасывает в атмосферу продукты горения топки. Ускорительная заслонка 21А, размещенная на входном трубопроводе 17, обеспечивая управление температурой нагревателя, позволяет осуществить управление узлом.
В данной конфигурации воздух, выходящий из мотора, может иметь температуру ниже 0°, что облегчит его охлаждение в холодильной камере.
Изобретение не ограничивается описанными и представленными вариантами осуществления: материалы, средства управления,
описанные устройства могут меняться на эквивалентные при получении одинаковых результатов без изменения сущности изобретения.
Описание и пункты формулы представленного изобретения определяют значения температур воздуха в зависимости от их обозначений - очень низкие температуры, низкие температуры, комнатная температура или температура окружающей среды и "холодное" сгорание. Рабочие температуры являются, на самом деле, относительными и заявитель использует термины "очень низкие температуры" для значений, меньших 90 К; низкие температуры для значений, меньших 200 К; температура окружающей среды между 273 и 293 К; что касается "холодного" сгорания, речь идет о сравнении сгорания в современных двигателях при температурах, превышающих 2000 К, и могущих составлять от 400 до 1000 К.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Низкотемпературный мотокомпрессорный узел с непрерывным "холодным" сгоранием и активной камерой, работающий, в частности, на сжатом воздухе с использованием устройства контроля хода поршня, обеспечивающего остановку поршня в верхней мертвой точке в течение определенного периода времени, а также активной камеры с переменным объемом, в котором размещены средства совершения работы при его заполнении, спаренным и находящемся в постоянном контакте каналом с объемом над главным поршнем двигателя, а также содержащий встроенное или невстроенное компрессионное устройство, отличающийся тем, что содержит холодильную камеру (29), позволяющую охладить до очень низких температур атмосферный воздух, поступающий в воздушный компрессор, который направляет этот сжатый рабочий воздух при низких температурах в рабочую емкость или внешнюю камеру сгорания (19), снабженную устройством подогрева (19А) при постоянном давлении, где он увеличивается в объеме перед его квазиизотермическом переходом в сжимающее устройство, производящее работу, содержащее предпочтительно активную камеру, в которой при остановке поршня (1) мотора в верхней мертвой точке воздух или газ под давлением поступает в расширительную камеру (12), когда она имеет наименьший объем, и под действием давления она увеличивает свой объем, совершая работу; сжатый воздух, содержащийся в расширительной камере, затем снижает свое давление в цилиндре (2) мотора, толкая поршень двигателя вниз и совершая, в свою очередь, работу; при подъеме поршня (1) мотора в течение хода выхлопа изменяемый объем расширительной камеры приводится к наименьшему объему для возобновления полного цикла работы.
2. Узел по п.1, отличающийся тем, что сжатый воздух возвращается к температуре окружающей среды через испаритель (35) предпочтительно "воздух-воздух" перед его введением во внешнюю камеру сгорания (19).
3. Узел по одному из п. п.1 или 2, отличающийся тем, что его термодинамический цикл содержит следующие фазы:
- снижение температуры атмосферного воздуха;
- всасывание;
- компрессию;
- повышение температуры;
- переход при квазиизотермическом постоянном давлении;
- политропное снижение давления;
- выхлоп при давлении окружающей среды.
4. Узел по одному из п.п. 1-3, отличающийся тем, что
рабочий воздух охлаждается в холодильной камере холодильной или криогенной машины (А) с использованием жидкостей, которые поглощают тепло при испарении, в которой газообразная холодильная или криогенная жидкость сжимается криогенным компрессором (31) и направляется в змеевик (32), где она сжижается, при этом сжижение производится с использованием тепла, затем жидкость направляется в испаритель (30), размещенный в холодильной камере (29), где она испаряется за счет абсорбции тепла, пар возвращается в компрессор и цикл повторяется в холодильной камере при очень низких температурах.
5. Узел по одному из п. п. 1,3 или 4, отличающийся тем, что
воздух, сжатый компрессором (28, 25, 26, 33) до более низких температур, направляется в резервуар (22) хранения высокого давления большого объема, где, в зависимости от относительного объема и температуры хранения, он возвращается к температуре практически окружающей среды, с последующим его расширением через динамический редуктор (21) до среднего рабочего давления камеры сгорания (19), где он вновь нагревается и увеличивает свой объем перед квазиизотермическим переходом в активную камеру, и производит работу перед своим политропным расширением в цилиндре (2) мотора, производящим, в свою очередь, работу.
6. Узел по п. 5, отличающийся тем, что сжатый воздушным компрессором воздух проходит через теплообменник (35А) "воздух-воздух" для повышения его температуры и увеличения его объема перед его введением в резервуар (22) хранения.
7. Узел по одному из п. п. 5 или 6, отличающийся тем, что его термодинамический цикл содержит следующие фазы:
- понижение температуры поступающего воздуха;
- всасывание;
- компрессию;
- возврат к состоянию окружающей среды;
- квазиизотермический переход;
- повышение температуры (сгорание при постоянном объеме);
- квазиизотермический переход при постоянном давлении;
- политропическое расширение;
- выхлоп до давления окружающей среды.
8. Узел по одному из п. п. 5-7, отличающийся тем, что
компрессор рабочего воздуха (28, 25, 26, 33) питает резервуар (22) и камеру (19) или последовательно или в комбинации, обеспечивающей заполнение резервуара (22) хранения при работе узла.
9. Узел по п. 8, отличающийся тем, что дополнительный компрессор (36) размещен перед входом рабочего сжатого воздуха в резервуар (22) хранения, позволяющий при работе заполнять резервуар хранения высокого давления и питать камеру (19) сгорания меньшим давлением.
10. Узел по одному из п.8 или 9, отличающийся тем, что при его функционировании в моноэнергетическом режиме рабочий воздух без использования внешней энергии и с использованием воздуха, содержащегося в резервуаре (22), расширяется посредством динамического редуктора (21) до среднего давления в камере сгорания (19) перед квазиизотермическим переходом в активную камеру (12, 13, 14), производящей работу перед политропным расширением в цилиндре 2 мотора, производящим работу з свою очередь; при этом компрессор рабочего воздуха совершает холостой ход, удерживая закрытыми входные и выходные трубопроводы, и компрессор холодильной машины не включается, пока не активируется устройство подогрева камеры сгорания.
11. Узел по одному из п.п.1-10, отличающийся тем, что узел работает в биэнергетическом режиме, то есть в моноэнергетическом режиме в определенных условиях использования и/или в биэнергетическом режиме сжатого воздуха из резервуара (22) для хранения и сжигания в камере сгорания (19) и/или моноэнергетического сжигания в других условиях использования.
12. Узел по одному из п. п. 1-11, отличающийся тем, что в
дополнение или вместо камеры сгорания размещен термонагреватель (2 9) , который использует термохимический способ реакции твердого газа, основанный на преобразовании путем испарения реактивной жидкости, содержащейся в испарителе, например, преобразование жидкого аммиака в газ, который реагируют с твердыми реактивами, находящимися в реакторе, например, солями, такими, как хлориды кальция, магния, бария или другими, химическая реакция с которыми происходит с выделением тепла, и которые по окончании реакции могут быть регенерированы путем поглощения тепла реактора и выделения газообразного аммиака, реконденсируемый в испарителе.
13. Узел по одному из п. п. 1-12, отличающийся тем, что камера сгорания снабжена устройством подогрева, называемым "внешне-внешним", где сжатый воздух нагревается в теплообменнике без прямого контакта с пламенем.
14. Узел по по.13, отличающийся тем, что рабочий воздух из выхлопной трубы (23) мотора повторно поступает в холодильную камеру (2 9) холодильной или криогенной машины А для начала нового цикла и осуществляет замкнутый цикл работы узла.
15. Узел по п. 10, отличающийся тем, что в случае, когда температура выхлопа выше температуры окружающей среды теплообменник "воздух-воздух" для доведения температуры выхлопа до квазикомнатной размещен на трубопроводе перед холодильной камерой.
16. Узел по одному из п. п. 1-15, отличающийся тем, что
расширительное устройство активной камеры заменено подходящей расширительной системой, такой, как классический кривошипно-шатунный механизм, либо роторный мотор.
По доверенности
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 6