BR102016026755A2 - Control valve and air starting system - Google Patents

Abstract

trata-se de uma válvula de controle e um sistema de partida de ar para um mecanismo motor que tem uma fonte de ar pressurizado, um iniciador de ar e uma válvula de controle. sendo que a válvula de controle tem um alojamento que define uma passagem de fluxo com uma porta de entrada acoplada de modo fluido à fonte de ar pressurizado e uma porta de saída acoplada de modo fluido ao iniciador de ar, um corpo de válvula móvel entre posições aberta e fechada para abrir e fechar seletivamente uma dentre as portas de entrada e saída, resultando em uma abertura e um fechamento correspondentes da válvula de controle, e um motor linear acoplado de modo operacional ao corpo de válvula para mover o corpo de válvula entre as posições aberta e fechada.

Description

“VÁLVULA DE CONTROLE E SISTEMA DE PARTIDA DE AR” Antecedentes da invenção [001] Um mecanismo motor reciprocante, tal como um mecanismo motor de combustão interna, é um mecanismo motor de calor que usa um ou mais pistões reciprocantes para converter pressão em um movimento de rotação. Em um exemplo típico, um pistão é alojado em uma câmara de pistão ou câmara de pressão vedável, e anexado em sua base a uma haste giratória. Conforme o pistão desliza ao longo da câmara de pistão, a haste giratória é girada e vice-versa.

[002] Um iniciador de turbina de ar (ATS) pode ser usado para iniciar a rotação do mecanismo motor. O ATS é geralmente montado próximo ao mecanismo motor e pode ser acoplado a uma fonte de fluido de alta pressão, tal como ar comprimido, que se choca com uma roda de turbina no ATS fazendo com que o mesmo gire em uma taxa relativamente alta de velocidade. O ATS inclui uma haste de saída que é acoplada à roda de turbina e, talvez por meio de uma ou mais engrenagens, ao mecanismo motor. A haste de saída gira, portanto, com a roda de turbina. Essa rotação, por sua vez, faz com que o mecanismo motor comece a girar.

[003] O fluxo de ar comprimido para o ATS pode ser controlado, por exemplo, por meio de uma válvula. A válvula é tipicamente referida como uma válvula de ar de partida ou válvula de controle. Quando a válvula de ar de partida é aberta, o ar comprimido pode fluir através da válvula de ar de partida, e para dentro do ATS. De modo contrário, quando a válvula de partida é fechada, o fluxo de ar comprimido para o ATS pode ser impedido. Uma válvula de ar de partida, em diversos casos, inclui um atuador pneumático para mover a válvula para sua posição aberta. A fonte de potência pneumática para o atuador pode ser ar pressurizado fornecido a partir, por exemplo, de uma unidade de potência auxiliar (APU), ar de sangria de outro mecanismo motor compressor, etc.

Breve Descrição da Invenção [004] Em um aspecto, uma realização da invenção se refere a um sistema de partida de ar para um mecanismo motor que inclui uma fonte de ar pressurizado, um iniciador de ar e uma válvula de controle que compreende um alojamento que define uma passagem de fluxo com uma porta de entrada acoplada de modo fluido à fonte de ar pressurizado e uma porta de saída acoplada de modo fluido ao iniciador de ar, um corpo de válvula móvel entre posições aberta e fechada para abrir e fechar seletivamente uma dentre as portas de entrada e saída, resultando em uma abertura e um fechamento correspondentes da válvula de controle, e um motor linear acoplado de modo operacional ao corpo de válvula para mover o corpo de válvula entre as posições aberta e fechada, em que a passagem de fluxo é dimensionada para permitir uma taxa de fluxo de pelo menos 1.444,5 Nm3/h (900 scfm (pé cúbico padrão por minuto)), e o motor linear move o corpo de válvula entre as posições fechada e aberta em um tempo de resposta de 30 ms ou menos.

[005] Em outro aspecto, uma realização da invenção se refere a uma válvula de controle que inclui um alojamento que define um interior, com uma porta de entrada e uma porta de saída formadas no alojamento, em que uma passagem de fluxo é definida através do interior da porta de entrada para a porta de saída, um pistão que tem uma cabeça e uma haste que se estende a partir da cabeça e é reciprocamente móvel entre as posições aberta e fechada para abrir e fechar pelo menos uma dentre as portas de entrada e saída, um elemento de inclinação que aplica uma força de inclinação ao pistão para impulsionar o pistão para a posição fechada, e um motor linear que inclui um ímã permanente montado na haste e uma bobina eletromagnética que circunscreve a haste, em que, quando a eletricidade é passada através da bobina eletromagnética, a mesma gera um campo magnético que interage com o ímã permanente para aplicar uma força à haste suficiente para superar a força de inclinação para ocasionar um movimento do pistão da posição fechada para a posição aberta.

Breve Descrição das Figuras [006] Nas Figuras: A Figura 1 é uma vista esquemática de um mecanismo motor de combustão que tem uma haste de manivela que pode utilizar um sistema de partida de ar, de acordo com uma realização da invenção; A Figura 2 é uma vista em corte transversal esquemática de um pistão em um mecanismo motor de combustão, tal como o mecanismo motor da Figura 1; A Figura 3 é uma vista esquemática de um conjunto de partida de ar acoplado de modo giratório à haste de manivela do mecanismo motor das Figuras 1 e 2, de acordo com uma realização da invenção; A Figura 4 é uma vista em corte transversal esquemática de uma válvula de controle que pode ser utilizada com o sistema de partida de ar da Figura 3, e é mostrada em uma posição fechada; e A Figura 5 é uma vista em corte transversal esquemática da válvula de controle da Figura 4, e é mostrada em uma posição aberta.

Descrição das Realizações da Invenção [007] As válvulas de ar de partida contemporâneas que pode acomodar taxas de fluxo altas não são muito responsivas. As taxas de fluxo altas tipicamente incluem taxas de fluxo na faixa de 1.444,5 Nm3/h (900 scfm) até mais que 2.728,5 Nm3/h (1.700 scfm). Por exemplo, as válvulas que podem acomodar as taxas de fluxo de 2.728,5 Nm3/h (1.700 scfm) levam mais de um segundo para abrir completamente. Um tempo de resposta de um segundo ou mais é considerado um tempo de resposta lento. De modo opostos, as válvulas que são muito responsivas não podem acomodar o fluxo alto. Por exemplo, as válvulas que podem abrir em menos que 100 ms, que é considerado um tempo de resposta rápido, só podem acomodar fluxos tão altos quanto 481,5 Nm3/h (300 scfm), taxas de fluxo de 481,5 Nm3/h (300 scfm) e abaixo são consideradas taxas de fluxo baixas.

[008] Para acomodar as taxas de fluxo altas com as válvulas de resposta lenta existentes a técnica comum consiste em iniciar o processo de abertura ou fechamento da válvula antes de quando a válvula precisa ser aberta ou fechada. Isso pode ser feito até cinco segundos antes do tempo. Isso exige uma antecipação ou previsão de o que o sistema fará, em vez de uma resposta aos eventos do sistema em tempo real e fornece uma abordagem arriscada, especificamente com sistemas transientes em que as condições são rapidamente alteradas. As realizações da presente invenção fornecem um conjunto de válvula de controle e um sistema iniciador de ar que fornecem características de abertura de válvula aprimoradas em comparação aos conjuntos de válvula presentemente conhecidos.

[009] As realizações da invenção podem ser implantadas em qualquer ambiente adequado, incluindo, mas sem se limitar a, um ambiente que utiliza um mecanismo motor reciprocante independentemente se o mecanismo motor reciprocante fornece uma força de acionamento ou é usado para outro propósito, tal como para gerar eletricidade. Para os propósitos desta descrição, tal mecanismo motor reciprocante será referido, de modo geral, como um mecanismo motor de combustão, ou linguagem semelhante. Tal mecanismo motor de combustão pode ser abastecido por gasolina, gás natural, metano ou combustível de diesel. Portanto, uma compreensão preliminar de um mecanismo motor de combustão é fornecida.

[010] A Figura 1 ilustra uma vista esquemática de um mecanismo motor reciprocante, tal como um mecanismo motor de combustão 10, que tem uma haste giratória, tal como uma haste de manivela 12, e pelo menos um pistão 14 localizado dentro de um bloco de mecanismo motor 16. Uma caixa de engrenagens 19 que tem uma engrenagem ranhurada 21 e uma ou mais engrenagens internas ou trem de engrenagens 23 podem ser incluídas e acopladas de modo operacional à haste de manivela 12. Conforme melhor ilustrado na Figura 2, o pistão 14 localizado dentro da porção correspondente do bloco de mecanismo motor 16 pode incluir uma cabeça de pistão 15 acoplada de modo giratório a uma haste de pistão 17, em que a cabeça de pistão é deslizável dentro de uma câmara de pistão 18 (Figura 2). A haste de pistão 17 é acoplada de modo giratório a um pino na haste de manivela 12, que é deslocado de modo radial a partir de um eixo geométrico de rotação da haste de manivela, de modo que a rotação da haste de manivela 12 ocasione uma reciprocação da cabeça de pistão 15 dentro da câmara de pistão 18.

[011] Embora apenas um pistão 14 seja mostrado na Figura 2, um mecanismo motor de combustão 10 tem tipicamente múltiplos pistões 14 contidos dentro de câmaras de pistão correspondentes 18, sendo que os pistões 14 são montados a diferentes pinos na haste de manivela 12, em que os pinos são radialmente separados em torno do eixo geométrico de rotação da haste de manivela 12. Os pistões 14 podem ser dispostos em uma ou mais fileiras lineares, em que um mecanismo motor com apenas uma fileira de pistões alinhados de modo linear 14 é referido como uma disposição em linha. Os mecanismos motores 10 com múltiplas fileiras de pistões 14 podem ter um espaçamento angular entre as fileiras que se formam. Os pistões 14 também podem ser radialmente separados em torno da haste de manivela 12, que é geralmente referido como uma disposição radial.

[012] O movimento do pistão 14 para dentro ou para fora da câmara de pistão 18 será, doravante, descrito como “cursos” ou “cursos de pistão”. Embora a revelação possa conter descrições de cursos “para cima”, em que o pistão 14 é movido mais para dentro da câmara de pistão 18, na direção oposta à haste de manivela 12, e cursos “para baixo”, em que o pistão 14 é removido da câmara de pistão 18 em direção à haste de manivela 12, as realizações da invenção podem incluir um mecanismo motor de combustão 10 que tem cursos verticais ou angulados. Portanto, as frases “para cima” e “para baixo” não são termos relativos não limitadores para as realizações da invenção.

[013] Conforme mostrado, o mecanismo motor de combustão 10 pode incluir adicionalmente uma porção de cabeça de mecanismo motor 20 que tem uma passagem de ingestão de ar vedável 22 e uma passagem de escape vedável 24. As passagens 22, 24 são acopladas de modo fluido à câmara de pistão 18 e vedáveis a partir da mesma por meio de uma respectiva válvula de ingestão 26 e uma válvula de escape 28. De modo coletivo, a cabeça de pistão 15, o bloco de mecanismo motor 16, a porção de cabeça 20, a válvula de ingestão 26e a válvula de escape 28 podem definir uma câmara de compressão vedável 30.

[014] A porção de cabeça 20 pode incluir adicionalmente um bocal de aspersão de combustível 32 para injetar um combustível, tal como combustível de diesel, na câmara de compressão 30 para a combustão. Embora um bocal de aspersão de combustível 32 para injetar o combustível de diesel seja mostrado, realizações alternativas da invenção podem incluir o bocal de aspersão de combustível 32 substituído opcionalmente por, no exemplo de um mecanismo motor a gasolina ou gás natural, uma vela de ignição para realizar a ignição de uma mistura de ar/combustível ou ar/gás para o mecanismo motor de combustão 10.

[015] Em um exemplo, um ciclo de combustão, o mecanismo motor de combustão 10 pode incluir quatro cursos de pistão: um curso de ingestão, um curso de compressão, um curso de combustão e um curso de escape. A descrição supracitada assume que o ciclo de combustão do mecanismo motor 10 se inicia enquanto o pistão 14 se encontra completamente estendido para cima para a câmara de pistão 18, que é tipicamente referido como um “ponto morto superior” ou TDC. Durante o curso de ingestão, uma rotação da haste de manivela (ilustrada pela seta no sentido horário 34) puxa o pistão 14 para fora da câmara de compressão 30 em um curso de ingestão para baixo (na direção da seta 38), criando um vácuo na câmara de compressão 30. O vácuo suga o ar da passagem de ingestão vedável 22, que não se encontra vedada devido à abertura da válvula de ingestão 26 (ilustrada na linha pontilhada 40) e é temporizada para corresponder ao curso de ingestão.

[016] Uma vez que o pistão 14 alcança o ponto mais baixo de seu curso de ingestão (ilustrada na linha pontilhada 36), a válvula de ingestão 26 é vedada, e o pistão inicia um curso de compressão para cima. O curso de compressão desliza o pistão 14 para dentro da câmara de pressão 30 que comprime o ar. Na posição de TDC do curso de compressão 42, o bocal de aspersão de combustível 32 pode injetar combustível de diesel para dentro da câmara de compressão 30. Alternativamente, um combustível que pode ser submetido à combustão pode ser adicionado ao ar de ingestão antes do curso de ingestão, ou o combustível pode ser adicionado à câmara de compressão 30 durante o curso de compressão 42.

[017] A combustão pode ocorrer na câmara de compressão devido ao alto calor e à alta pressão da mistura de ar comprimido/combustível (por exemplo, em um mecanismo motor a diesel), ou, alternativamente, devido a uma ignição externa, tal como uma centelha gerada por uma vela de ignição (por exemplo, em um mecanismo motor a gasolina ou gás natural) na câmara de compressão 30. Durante o curso de combustão, a explosão da mistura de ar/combustível gera o calor nos gases comprimidos, e a expansão resultante da explosão e dos gases em expansão aciona o pistão em um curso para baixo, na direção oposta à câmara de compressão 30. O curso para baixo aciona mecanicamente a rotação 34 da haste de manivela 12.

[018] Após a combustão, retira-se a vedação da válvula de escape 28 para que corresponda ao curso de escape, e o pistão é acionado para cima para dentro da câmara de compressão 30 para empurrar os gases queimados, ou os gases de escape, para fora da câmara de compressão 30. Uma vez que o pistão 14 retorna para a posição de TDC na câmara de pistão 18, o ciclo de combustão do mecanismo motor 10 pode, então, ser repetido.

[019] Embora um mecanismo motor de combustão 10 típico possa ter um conjunto de pistões 14 e câmaras de pistão 18, um único pistão 14 é ilustrado e descrito no presente documento por propósitos de concisão. Deve-se compreender que “um conjunto”, conforme usado no presente documento, pode incluir qualquer quantidade, incluindo um. Em um mecanismo motor de combustão 10 com múltiplos pistões 14, os pistões 14 podem ser configurados ao longo da haste de manivela 12 para balancear os cursos de pistão 14, de modo que um ou mais pistões 14 possam fornecer continuamente uma força de acionamento para girar a haste de manivela 12 e, desse modo, acionar os pistões 14 através de cursos de ciclo de combustão adicionais. A força mecânica gerada pela rotação da haste de manivela 12 pode ser entregue adicional para acionar outro componente, tal como um gerador, rodas ou um propulsor.

[020] A Figura 3 ilustra uma configuração esquemática exemplificadora de um sistema de partida de ar 44, tal como para o mecanismo motor de combustão 10. O sistema de partida de ar 44 pode incluir um iniciador de ar 52 acoplado de modo fluido a uma fonte de pressão 54 por meio de uma válvula de controle 56 e um controlador 58 ou processador.

[021] O iniciador de ar 52 é mostrado incluindo adicionalmente uma porção de corpo 70, uma saída de iniciador 72, ilustrada como uma engrenagem, que tem um conjunto de dentes 74 encaixados para se engrenarem com a engrenagem ranhurada 21 da caixa de engrenagens 19, que é acoplada de modo operacional à haste de manivela 12. Será observado que esse é tipicamente a disposição para os iniciadores em mecanismos motores de turbina a gás. Para os iniciadores em mecanismos motores reciprocantes, uma engrenagem de roda dentada externa na haste de acionamento de iniciador pode acionar uma engrenagem de roda dentada externa grande ou engrenagem de anéis no mecanismo motor e tal engrenagem de anéis de mecanismo motor pode ser acoplada à haste de acionamento de mecanismo motor.

[022] Um sensor de iniciador 64 também pode ser incluído e ser configurado para detectar ou medir as características do iniciador de ar 52, por exemplo, a velocidade de rotação da saída de iniciador 72, o torque gerado pelo iniciador 52, etc. O sensor 64 pode, adicionalmente, ter capacidade para gerar um sinal analógico ou digital que representa as características do iniciador, e pode fornecer o sinal gerado ao controlador 58. São previstas realizações da invenção em que o iniciador 52 é, por exemplo, montado mecanicamente ou de modo removível ao mecanismo motor 10. Alternativamente, o iniciador 52 pode ter capacidade de estender ou retrair de modo controlável a porção de saída de iniciador 72 do iniciador 52, de modo que os dentes 74 possam ser engatados ou desengatados apenas durante as operações de partida. Configurações adicionais são previstas.

[023] O controlador 58 pode incluir adicionalmente uma memória 78, que inclui, mas não se limita a, memória de acesso aleatória (RAM), memória somente de leitura (ROM), memória flash ou um ou mais tipos diferentes de memória eletrônica portátil, tais como discos ópticos, DVDs, CD-ROMs, etc, ou qualquer combinação adequada desses tipos de memória. O controlador 58 pode ser acoplado de modo operacional à memória 78 de modo que um dentre o controlador 58 e a memória 78 possa incluir todo ou uma porção de um programa de computador que tem um conjunto de instruções executáveis para controlar a operação da válvula de controle 56 e do iniciador de ar 52. O programa pode incluir um produto de programa de computador que pode incluir meios legíveis por máquina transportar ou ter instruções ou estruturas de dados executáveis por máquina armazenados no mesmo. Tais meios legíveis por máquina podem ser qualquer meio disponível, que pode ser acessado com um computador de propósito geral ou específico, ou por outra máquina com um processador. De modo geral, tal programa de computador pode incluir rotinas, programas, objetos, componentes, estruturas de dados, algoritmos, etc, que tenham o efeito técnico de realizar determinadas tarefas ou implantar determinados tipos de dados abstratos. As instruções executáveis por máquinas, as estruturas de dados associadas e os programas representam exemplos de códigos de programas para executar as trocas de informações, conforme explicado aqui. As instruções executáveis por máquina podem incluir, por exemplo, instruções e dados, que fazem com que um computador de propósito geral, computador de propósito específico, controlador 58 ou máquina de processamento de propósito específico execute uma certa função ou grupo de funções.

[024] A válvula de controle 56 foi ilustrada como incluindo um alojamento 80 que define uma passagem de fluxo 82 com uma porta de entrada 84 acoplada de modo fluido à fonte de ar pressurizado 54 e uma porta de saída 86 acoplada de modo fluido ao iniciador de ar 52. A passagem de fluxo pode ser dimensionada de qualquer modo adequado para o sistema incluindo, mas sem limitação, que a passagem de fluxo 82 pode ser dimensionada para permitir uma taxa de fluxo de pelo menos 1.444,5 Nm3/h (900 scfm). É contemplado que a passagem de fluxo 82 possa ser dimensionada para acomodar as taxas de fluxo de pelo menos até 2.728,5 Nm3/h (1.700 scfm). Um corpo de válvula 88 móvel entre uma posição aberta 90 e uma posição fechada 92 (mostrada em linha tracejada) para abrir e fechar seletivamente a porta de entrada 84, resultando em uma abertura e um fechamento correspondentes da válvula de controle 56 também é incluído. Embora o corpo de válvula 88 seja ilustrada como abrindo e fechando seletivamente a porta de entrada 84, será compreendido que o corpo de válvula 88 pode alternativamente abrir e fechar seletivamente a porta de saída 86 ou outra porção da passagem de fluxo 82.

[025] Um motor linear 94 pode ser acoplado de modo operacional ao corpo de válvula 88 para mover o corpo de válvula 88 entre as posições aberta e fechada. O motor linear 94 pode mover o corpo de válvula 88 em resposta a um sinal de controle fornecido pelo controlador 58. Além disso, o motor linear 94 pode ser configurado para mover o corpo de válvula 88 entre as posições fechada e aberta em um tempo de resposta de 30 ms ou menos. Por meio de um exemplo não limitador adicional, é contemplado que o motor linear 94 possa mover o corpo de válvula 88 entre as posições em 25 ms ou menos. O motor linear 94 tem uma distância de percurso grande em comparação a um motor solenoide típico e isso permite que o motor linear 94 mova o corpo de válvula 88 completamente entre as posições aberta e fechada. Além disso, durante a operação a força de tração gerada pelo motor linear 94 combinada com a força de compressão do ar pressurizado move o corpo de válvula 88 na direção oposta à porta de entrada 84 dentro do tempo de resposta desejado.

[026] Durante a operação, o iniciador de ar 52 e a válvula de controle 56 operam para gerar força, tal como um torque na saída de iniciador 72, em resposta a um abastecimento de pressão de ar fornecido. O torque gerado pelo iniciador de ar 52 é aplicado (por meio da engrenagem ranhurada 21, trem de engrenagens 23 e haste de manivela 12) para gerar a força de compressão usada pelo curso de compressão 42 para comprimir os conteúdos da câmara de compressão 30. Por meio de exemplo não limitador, o sistema de partida de ar 44 pode ser utilizado para a partida lenta do mecanismo motor de combustão 10, em que a partida lenta do mecanismo motor de combustão 10 impede danos ao mecanismo motor 10 se a câmara de compressão 30 contiver fluido incompressível, tal como água. Conforme usado no presente documento, “partida lenta” é usado para descrever a rotação da haste de manivela 12 a uma velocidade abaixo da velocidade de mecanismo motor operacional ou de execução autossuficiente, tal como uma velocidade ociosa. A velocidade baixa, ou operação de “baixa velocidade de cilindro” do método pode permitir que problemas ou preocupações em relação a uma operação de mecanismo motor operação adequada sejam identificados antes que algum dano interno possa ocorrer ao mecanismo motor 10. O ar fornecido pela válvula de controle 56 ao iniciador de ar 52 pode ser não contínuo devido à operação de velocidade baixa necessária para um desempenho de velocidade de cilindro baixa adequado. Por exemplo, o controlador 58 pode controlar a válvula de controle 56 para fornecer rajadas de ar de abastecimento para manter a haste de manivela se movendo na velocidade prevista ou na velocidade-alvo.

[027] A Figura 4 ilustra uma válvula de controle exemplificadora 156, de acordo com uma realização da invenção, e que pode ser utilizada no sistema de partida de ar 44, conforme descrito acima. A realização da válvula de controle 156 é semelhante à realização da válvula de controle 56. Portanto, as partes semelhantes serão identificadas com números semelhantes aumentados em 100, sendo, desse modo, compreendido que a descrição das partes semelhantes da válvula de controle 56 se aplica à válvula de controle 156, a menos que seja observado de outro modo.

[028] Assim como na realização anterior, a válvula de controle 156 tem um alojamento 180 com uma porta de entrada 184 e uma porta de saída 186 formadas no alojamento 180. Uma passagem de fluxo 182 (Figura 5) é definida através de um interior 198 do alojamento da porta de entrada 184 para a porta de saída 186.

[029] Uma diferença é que o corpo de válvula 188 é ilustrado como incluindo um gatilho ou pistão 200 que tem uma cabeça 202 e uma haste 204 que se estende a partir da cabeça 202. O pistão 200 é reciprocamente móvel entre as posições aberta e fechada para abrir e fechar a porta de entrada 184. Altemativamente, o corpo de válvula 188 pode ser projetado de modo que o pistão 200 seja reciprocamente móvel entre as posições aberta e fechada para abrir e fechar a porta de saída 186.

[030] O pistão 200 pode ser projetado de qualquer modo adequado incluindo, mas sem limitação, que a cabeça 202 possa incluir uma extremidade inferior 206 que define uma abertura 208 para um recesso 210. Além disso, uma vedação na forma de um anel em O 211 foi ilustrada como estando acoplada de modo operacional à cabeça 202. Quando a cabeça 202 se encontra na posição fechada, o anel em O 211 faz contato com o alojamento 180 e auxilia na vedação da porta de entrada 184.

[031] Outra diferença é que o motor linear 194 é ilustrado como incluindo um alojamento 212. O alojamento 212 do motor linear 194 pode ser conformado de qualquer modo adequado e pode ser fixado ao alojamento 180 da válvula de controle 156. Além disso, conforme ilustrado, o motor linear 194 pode incluir um ímã permanente 214 montado na haste 204 do pistão 200 e uma bobina eletromagnética 216. O ímã permanente 214 reside dentro do alojamento 212 do motor linear 194 e pelo menos uma porção da haste 204 se estende para dentro do alojamento 212 do motor linear 194.

[032] Conforme ilustrado, a bobina eletromagnética 216 pode ser incluída dentro do alojamento 212 e circunscreve a haste 204. Pelo menos uma porção do alojamento 212 do motor linear 194 pode ser fornecida dentro do recesso 210 da cabeça 202. Desse modo, pelo menos uma porção da bobina eletromagnética 216 pode residir dentro da cabeça 202. A bobina eletromagnética 216 define um interior 218 e a haste 204 se estende através do interior 218 de modo que o ímã permanente 214 possa reciprocar através do interior 218. Desse modo, o motor linear 194 e seus componentes podem ser integrados dentro ou localizados dentro do corpo de válvula 188 e isso fornece uma válvula de controle compacta 156.

[033] Além disso, um elemento de inclinação 220 é incluído na válvula de controle 156 e aplica uma força de inclinação ao pistão 200 para impulsionar o pistão 200 para a posição fechada (Figura 4). Qualquer elemento de inclinação adequado 220 pode ser utilizado, incluindo, mas sem se limitar a, uma mola de compressão ou uma mola helicoidal 222, conforme ilustrado. A mola helicoidal 222 tem uma extremidade 224 que faz contato com a cabeça 202 do pistão 200. No exemplo ilustrado, a mola helicoidal 222 circunscreve o alojamento 212 do motor linear 194 e pelo menos uma porção da bobina eletromagnética 216 embora isso não seja necessário.

[034] Rolamentos podem ser incluídos dentro da válvula de controle 156 para facilitar o movimento da haste 204. Por exemplo, um primeiro rolamento 230 é ilustrado como sendo montado no alojamento 212 do motor linear 194 e circunscrevendo a haste 204. Um segundo rolamento 232 pode ser montado no alojamento 180 e circunscrever a haste 204. Mais especificamente, o rolamento 232 é ilustrado como sendo montado dentro de um flange 233. Será compreendido que qualquer quantidade de vedações ou flanges adequados adicionais pode ser incluída dentro da válvula 156. Tanto o primeiro quanto o segundo rolamentos 230 e 232 permitem o movimento linear da haste 204 quando a cabeça 202 é movida entre as posições aberta e fechada. Ainda adícionalmente, uma variedade de vedações 234 pode ser utilizada para vedar as porções da válvula de controle 156 do ar pressurizado.

[035] Quando a eletricidade é passada através da bobina eletromagnética 216 a mesma gera um campo magnético que interage com o campo magnético do ímã permanente 214 para aplicar uma força à haste 204 suficiente para superar a força de inclinação do elemento de inclinação 220. Mais especificamente, quando a eletricidade é passada através da bobina eletromagnética 216 a mesma gera um campo magnético que move o ímã permanente 214, ocasionando um movimento correspondente do pistão 200, que resulta na cabeça 202 se movendo da posição fechada (Figura 4) para a posição aberta, conforme ilustrado na Figura 5. Isso permite que o ar pressurizado flua da porta de entrada 184 através da passagem de fluxo 182 para a porta de saída 186. O motor linear 194 move a cabeça 202 entre as posições fechada e aberta em um tempo de resposta de 30 ms ou menos.

[036] Durante a operação da fonte de pressão 54, o ar pressurizado é recebido na porta de entrada 184. A força do ar age no corpo de válvula 188 para tentar empurrar o corpo de válvula 188 na direção oposta à porta de entrada 184 e abrir a válvula de controle 156. A mola helicoidal 222 e o motor linear 194 produzem uma força que age contra a força pneumática do ar pressurizado e mantém a válvula de controle 156 fechada. Mais especificamente, sem uma força contrária do motor linear 194 a mola helicoidal 222 impulsiona o corpo de válvula 188 até o fechar. Além disso, quando uma tensão com uma polaridade específica é aplicada à bobina eletromagnética 216, o campo magnético produzido pela bobina eletromagnética 216 interage com o campo magnético do ímã permanente 214 e produz uma força que aciona o pistão 200 em direção à porta de entrada 184. O anel em O 211 no corpo de válvula 188 veda contra o alojamento de válvula 180, e o corpo de válvula 188 se fecha e impede que o ar entre na porta de entrada 184.

[037] Quando a válvula de controle 156 deve ser aberta, a polaridade de tensão no motor linear 194 é revertida. Com a corrente fluindo na direção oposta através da bobina eletromagnética 216, é gerada uma força que age para puxar o corpo de válvula 188 na direção oposta à porta de entrada 184. A força de tração gerada pelo motor linear 194, combinada com a força de compressão do ar pressurizado, move o corpo de válvula 188 na direção oposta à porta de entrada 184, permitindo que o ar entre na porta de entrada 184 e saia através da porta de saída 186.

[038] De modo contrário, quando a válvula de controle 156 deve ser fechada novamente, a polaridade de tensão no motor linear 194 é novamente revertida, e a força do motor linear 194 e a força da mola helicoidal 222 agem para empurrar o corpo de válvula 188 novamente em direção à porta de entrada 184, vedando a porta de entrada 184 para o ar pressurizado, fechando a válvula de controle 156 novamente. Ao realizar o ciclo da polaridade de tensão do motor linear 194, a válvula de controle 156 pode ser rapidamente aberta e fechada para modular rapidamente o fluxo de ar através da válvula de controle 156.

[039] As realizações descritas acima fornecem uma variedade de benefícios, incluindo o fato de que uma válvula pneumática de resposta rápida pode ser completamente aberta em aproximadamente 30 ms, pode modular as pressões de entrada tal altas quanto 344 kPa (50 psig), pode ser aberta com pressões de entrada tão altas quanto 1.034 kPa (150 psig) e pode acomodar taxas de fluxo pelo menos tão altas quanto 2.728,5 Nm3/h (1.700 scfm). As realizações descritas acima podem ser atuadas eletricamente e podem ser utilizadas em sistemas que exigem a introdução de um alto flux de ar em um período de tempo relativamente curto. Além disso, as realizações descritas acima podem ser utilizadas em sistemas que exigem o corte de um alto flux de ar em um período de tempo relativamente curto. Além disso, o tamanho e o peso das realizações descritas acima são menores, mais leves, mas confiáveis e menos dispendiosos que as soluções contemporâneas e as realizações descritas acima não dependem de retroalimentação interna e fornecem uma funcionalidade de ligação/desligamento básica.

[040] Ainda adicionalmente, as realizações descritas acima fornecem resposta em tempo real e retroalimentação ao vivo e, portanto, podem ser utilizadas em sistemas que dependem de retroalimentação de circuito fechado. Mais especificamente, quando um sinal é fornecido às realizações descritas acima, a resposta de saída, em termos de fluxo de ar em scfm, é objetivada para ocorrer dentro de 30 ms ou menos. Tal atraso mínimo entre um sinal de entrada e uma resposta de saída é de importância crítica para sistemas pneumáticos que utilizam taxas de fluxo relativamente altas e precisam de resposta em tempo real para uma retroalimentação ao vivo. Por exemplo, o atraso mínimo é importante durante uma parte de velocidade de cilindro baixa, pois o sistema de iniciador, de outro modo, não iria ser desligado a tempo e, se houvesse um problema, tal como quando não há água nas cabeças de cilindro, o mecanismo motor podería ser danificado conforme os pistões continuam a reciprocar.

[041] Ao que ainda não foi descrito, os diferentes recursos e estruturas das diversas realizações podem ser usados em combinação uns com os outros conforme desejado. O fato de um recurso não ser ilustrado em todas as realizações não significa que deve ser interpretado como não podendo, mas que isso é realizado com o objetivo de brevidade de descrição. Portanto, os vários recursos das diferentes realizações podem ser misturados e combinados conforme desejado para formar novas realizações, se ou não as novas realizações estiverem expressamente descritas. Todas as combinações ou permutações de recursos descritos no presente documento são cobertas por essa revelação.

[042] Esta descrição escrita utiliza exemplos para descrever a invenção, que inclui o melhor modo, e também para possibilitar qualquer indivíduo versado na técnica a praticar a invenção, que inclui produzir e utilizar quaisquer dispositivos ou sistemas e executar qualquer método incorporado. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorram aos indivíduos versados na técnica. Tais outros exemplos têm como objetivo estarem dentro do escopo das reivindicações se os mesmos possuírem elementos estruturais que não os diferenciem da linguagem literal das reivindicações, ou se os mesmos incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais da linguagem literal das reivindicações.

Lista De Componentes 10 Mecanismo motor de combustão 12 Haste de manivela 14 Pistão 15 Pistão 16 Bloco de mecanismo motor 17 Haste de pistão 18 Câmara de pistão 19 Caixa de engrenagens 20 Porção de cabeça de mecanismo motor 21 Engrenagem ranhurada 22 Passagem de ingestão 23 Trem de engrenagens 24 Passagem de escape 26 Válvula de ingestão 28 Válvula de escape 30 Câmara de compressão 32 Bocal de aspersão de combustível 34 Rotação Haste de manivela 36 Curso de ingestão 38 Seta 40 Válvula de ingestão aberta 42 Curso de compressão 44 Sistema de partida de ar 52 Iniciadorde ar 54 Fonte de pressão 56 Válvula de controle 58 Controlador 64 Sensor de iniciador 66 Dentes 70 Porção de corpo 72 Saída de iniciador 74 Segundo conjunto de dentes 78 Memória 80 Alojamento 82 Passagem de fluxo 84 Porta de entrada 86 Porta de saída 88 Corpo de válvula 90 Posição aberta 92 Posição fechada 94 Motor linear 156 Válvula de controle 180 Alojamento 182 Passagem de fluxo 184 Porta de entrada 186 Porta de saída 188 Corpo de válvula 194 Motor linear 198 Interior 200 Pistão 202 Cabeça 204 Haste 206 Extremidade inferior 208 Abertura 210 Recesso 211 Anel em O 212 Alojamento 214 ímã permanente 216 Bobina eletromagnética 218 Interior 220 Dispositivo de inclinação 222 Mola helicoidal 224 Uma extremidade 230 Primeiro rolamento 232 Segundo rolamento 234 Vedações Reivindicações

Claims (20)

1. VÁLVULA DE CONTROLE, caracterizada pelo fato de que compreende: um alojamento que define um interior, com uma porta de entrada e uma porta de saída formadas no alojamento, em que uma passagem de fluxo é definida através do interior da porta de entrada para a porta de saída; um pistão que tem uma cabeça e uma haste que se estende a partir da cabeça e é reciprocamente móvel entre as posições aberta e fechada para abrir e fechar pelo menos uma dentre as portas de entrada e saída; um elemento de inclinação que aplica uma força de inclinação ao pistão impulsionar o pistão para a posição fechada; e um motor linear que inclui um ímã permanente montado na haste e uma bobina eletromagnética que circunscreve a haste; em que, quando eletricidade é passada através da bobina eletromagnética, a mesma gera um campo magnético que interage com o ímã permanente para aplicar uma força à haste suficiente para superar a força de inclinação para ocasionar um movimento do pistão da posição fechada para a posição aberta.

2. VÁLVULA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a passagem de fluxo é dimensionada para permitir uma taxa de fluxo de pelo menos 1.444,5 Nm3/h (900 scfm).

3. VÁLVULA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o motor linear move a cabeça entre as posições fechada e aberta em um tempo de resposta de 30 ms ou menos.

4. VÁLVULA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que a taxa de fluxo é de pelo menos até 2,728,5 Nm3/h (1.700 scfm) e o tempo de resposta é de menos que 25 ms.

5. VÁLVULA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o elemento de inclinação inclui uma mola helicoidal que tem uma extremidade que faz contato com a cabeça do pistão.

6. VÁLVULA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o motor linear inclui um alojamento e a mola helicoidal circunscreve o alojamento do motor linear.

7. VÁLVULA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a cabeça tem uma extremidade inferior que define uma abertura para um recesso e pelo menos uma porção do alojamento do motor linear é fornecida dentro do recesso.

8. VÁLVULA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a bobina eletromagnética reside dentro do alojamento do motor linear, pelo menos uma porção da haste se estende para dentro do alojamento do motor linear e o ímã permanente reside dentro do alojamento do motor linear.

9. VÁLVULA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o alojamento do motor linear é fixado ao alojamento da válvula de controle.

10. VÁLVULA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que compreende adícionalmente um rolamento que circunscreve a haste e é montado no alojamento do motor linear.

11. SISTEMA DE PARTIDA DE AR para um mecanismo motor, caracterizado pelo fato de que compreende: uma fonte de ar pressurizado; um iniciador de ar; e uma válvula de controle que inclui um alojamento que define uma passagem de fluxo com uma porta de entrada acoplada de modo fluido à fonte de ar pressurizado e uma porta de saída acoplada de modo fluido ao iniciador de ar, sendo que o corpo de válvula é móvel entre posições aberta e fechada para abrir e fechar seletivamente uma dentre as portas de entrada e saída, resultando em uma abertura e um fechamento correspondentes da válvula de controle, e um motor linear acoplado de modo operacional ao corpo de válvula para mover o corpo de válvula entre as posições aberta e fechada; em que a passagem de fluxo é dimensionada para permitir uma taxa de fluxo de pelo menos 1.444,5 Nm3/h (900 scfm), e o motor linear move o corpo de válvula entre as posições fechada e aberta em um tempo de resposta de 30 ms ou menos.

12. SISTEMA DE PARTIDA DE AR, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a taxa de fluxo é de pelo menos até 2.728,5 Nm3/h (1.700 scfm) e o tempo de resposta é de menos que 25 ms.

13. SISTEMA DE PARTIDA DE AR, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o corpo de válvula inclui um pistão que tem uma cabeça e uma haste que se estende a partir da cabeça, e o motor linear inclui um ímã permanente montado na haste e uma bobina eletromagnética, em que, quando a eletricidade é passada através da bobina eletromagnética, a mesma gera um campo magnético que move o ímã permanente, ocasionando um movimento correspondente do pistão, resultando na movimentação da cabeça da posição fechada para a posição aberta.

14. SISTEMA DE PARTIDA DE AR, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a válvula de controle inclui adicionalmente um elemento de inclinação que aplica uma força de inclinação que move o pistão para a posição fechada na ausência de uma força contrária do motor linear.

15. SISTEMA DE PARTIDA DE AR, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a bobina eletromagnética define um interior e o ímã permanente reciproca através do interior.

16. SISTEMA DE PARTIDA DE AR, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a haste se estende através do interior.

17. SISTEMA DE PARTIDA DE AR, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o elemento de inclinação inclui uma mola helicoidal que circunscreve a bobina eletromagnética.

18. SISTEMA DE PARTIDA DE AR, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a mola helicoidal faz contato com a cabeça.

19. SISTEMA DE PARTIDA DE AR, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma porção da bobina eletromagnética reside dentro da cabeça.

20. SISTEMA DE PARTIDA DE AR para um mecanismo motor caracterizado pelo fato de que compreende: uma fonte de ar pressurizado; um iniciador de ar; e uma válvula de controle que compreende: um alojamento que define um interior, com uma porta de entrada e uma porta de saída formadas no alojamento, em que uma passagem de fluxo é definida através do interior da porta de entrada para a porta de saída e a porta de entrada é acoplada de modo fluido à fonte de ar pressurizado e a porta de saída é acoplada de modo fluido ao iniciador de ar; um corpo de válvula que tem um pistão que tem uma cabeça e uma haste que se estende a partir da cabeça e é reciprocamente móvel entre as posições aberta e fechada para abrir e fechar pelo menos uma dentre as portas de entrada e saída; um elemento de inclinação que aplica uma força de inclinação ao pistão impulsionar o pistão para a posição fechada; e um motor linear acoplado de modo operacional ao corpo de válvula para mover o corpo de válvula entre as posições aberta e fechada; em que a passagem de fluxo é dimensionada para permitir uma taxa de fluxo de pelo menos 1.444,5 Nm3/h (900 scfm), e o motor linear move o corpo de válvula entre as posições fechada e aberta em um tempo de resposta de 30 ms ou menos.