EA031240B1 - Клапанный узел для применения в поршневой машине - Google Patents

Abstract

Клапанный узел для применения в поршневой машине, содержащий: a) клапан (1963, 1964) для функционального управления потоком текучей среды через порт; b) траверсу (1970), соединенную с клапаном (1963), причем линейное перемещение траверсы (1970) в первом линейном направлении (1991) приводит к закрытию клапана (1963, 1964), а линейное перемещение траверсы (1970) во втором линейном направлении (1992) приводит к открытию клапана (1963); c) привод закрытия клапана (1963, 1964), содержащий поворотный первый кулачок (1981), имеющий первый рабочий выступ кулачка, причем при вращении первого кулачка (1981) первый рабочий выступ кулачка приводит траверсу (1970) в перемещение в первом линейном направлении (1991), приводя, тем самым, к принудительному закрытию клапана (1963), d) привод открытия клапана (1963, 1964) для приведения траверсы (1970) в перемещение во втором линейном направлении (1992), с обеспечением, тем самым принудительного открытия клапана (1963), причем привод открытия содержит поворотный второй кулачок (1985), имеющий второй рабочий выступ кулачка, причем при вращении второго кулачка (1985), второй рабочий выступ кулачка приводит траверсу (1970) в перемещение во втором линейном направлении (1992), приводя, тем самым, к принудительному открытию клапана (1963, 1964), и e) по меньшей мере один смещающий элемент (1972.4) для перемещения траверсы (1970) во 1985 втором линейном направлении (1992).

Description

Изобретение относится к поршневым машинам, в частности, но не исключительно, к двигателям возвратно-поступательного действия, приводимым в действие сжатым газом, таким как воздух, или компрессорам, а также к клапанным узлам, применяемым в поршневых машинах.

Уровень техники

Двигатели возвратно-поступательного действия, также известные как поршневые двигатели, применяются для преобразования давления, приложенного к поршню возвратно-поступательного хода, во вращение соединенного с ним вала. В возвратно-поступательных двигателях внутреннего сгорания, давление обеспечивается путем сгорания топлива внутри цилиндра, в котором осуществляется возвратнопоступательное движение поршня. В других типах двигателей возвратно-поступательного действия, давление, приводящее в действие двигатель, может обеспечиваться путем подачи сжатого газа непосредственно в цилиндр. Например, паровые двигатели приводятся в действие нагретым и сжатым водяным паром, а пневматические двигатели - сжатым воздухом.

Несмотря на то, что выход энергии, вырабатываемой пневматическими двигателями и возвратнопоступательными двигателями других типов, приводимых в действие сжатым газом без помощи внутреннего сгорания, зачастую ниже чем у двигателей внутреннего сгорания того же размера, тем не менее, имеется ряд областей применения, где использование таких двигателей может быть желательным, например, в ситуациях, где горение было бы небезопасным или нежелателен выпуск побочных продуктов сгорания в производственную среду.

Все больше растет интерес к применению двигателей, работающих на сжатом газе и в, частности, пневматических двигателей как к источнику движущей силы для автомобилей. Обычно пневматические двигатели не производят каких-либо загрязняющих выбросов по месту их эксплуатации и, таким образом, считаются относительно чистой альтернативой двигателям внутреннего сгорания, при условии, что сжатый воздух может эффективно производиться компрессором, приводимым в действие возобновляемым источником энергии или, по крайней мере, источником энергии, производящим меньшее количество выбросов по сравнению с эквивалентным двигателем внутреннего сгорания.

В документе US 6,598,392 описан пример двигателя, работающего на сжатом газе, который предложено применять в качестве энергетической установки для малых транспортных средств, которые могут приводиться в действие сжатым газом, а не с применением внутреннего сгорания. В частности, описанный в этом документе двигатель, работающий на сжатом газе, включает в себя множество возвратнопоступательных поршней, размещенных внутри цилиндров, при этом указанные поршни приводятся в действие сжатым газом, поступающим из питающего бака. Предусмотрены впускной и выпускной клапаны, которые выборочно открываются для направления сжатого газа к поршню для его приведения в действие и выпуска воздуха, соответственно.

К сожалению, известные на сегодняшний день автомобили с пневматическими двигателями имеют крайне ограниченные технические характеристики и/или рабочий диапазон. Это может быть обусловлено недостатками конструкции пневматических двигателей, физическими ограничениями по количеству сжатого воздуха, который может храниться и давлению, под которым воздух находится в баке.

Недавние разработки в данной области были направлены на решение некоторых из указанных проблем, хотя конструкции, предложенные известными компаниями, занимающимися разработкой пневматических двигателей, такими как Engineair Pty Ltd and Motor Development International S.A. (MDI) все еще не позволяют получить улучшения достаточные для того, чтобы сделать использование автомобилей, приводимых в действие пневматическим двигателем, коммерчески целесообразным на сегодняшний день, несмотря на значительные отличия от традиционных конструкций двигателей возвратнопоступательного действия.

Кроме того, широкое распространение технологии пневматических двигателей в автомобилях, вероятно, потребует наличия инфраструктуры для предоставления, должным образом, сжатого воздуха для заправки источников питания автомобилей, которая на настоящий момент еще не доступна.

Пневматические двигатели могут также применяться для обеспечения генерации электрической энергии, например, в удаленных регионах, где отсутствует доступ к электричеству или инфраструктурам распределения топлива, несмотря на то, что аналогичные проблемы, связанные с недостатками конструкции, а также с хранением и/или производством сжатого воздуха ограничивают сферы их практического применения в данном аспекте.

В виду вышеизложенного, все еще имеется насущная потребность в усовершенствовании технологий двигателя возвратно-поступательного действия, в частности в отношении двигателей, приводимых в действие сжатым газом.

Ссылка в данном описании на какую-либо известную публикацию (или содержащуюся в ней информацию) или на любой известный объект, не является признанием или допущением или любого рода предположением (и не должна рассматриваться как таковое), что такая известная публикация (или содержащаяся в ней информация) или такой известный объект образуют часть уровня техники в области, к которой относится настоящее описание.

- 1 031240

Раскрытие изобретения

Согласно первому аспекту, настоящее изобретение в своем обобщенном виде, относится к двигателю возвратно-поступательного действия, содержащему:

a) коленчатый вал;

b) цилиндр, определяющий внутреннюю камеру;

c) поршень, размещенный в камере, соединенный с коленчатым валом и выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения в камере;

d) головку, соединенную с цилиндром и закрывающую камеру на конце, противоположном поршню, причем головка содержит по меньшей мере одну группу портов, включающую в себя два или более порта для передачи текучей среды между указанной камерой и соответствующим трубопроводом, и

e) для каждой группы портов, клапанный узел, соединенный с головкой, при этом каждый клапанный узел содержит:

i) для каждого порта из группы портов, клапан для функционального управления потоком текучей среды через соответствующий порт;

ii) траверсу, соединенную с клапанами, причем перемещение траверсы относительно головки приводит к синхронизированной работе клапанов; и iii) привод для приведения траверсы в движение на основе возвратно-поступательного движения поршня.

Как правило, привод содержит кулачок, установленный на кулачковом валу, соединенном с возможностью поворота с коленчатым валом, причем кулачок выполнен с возможностью управления перемещением траверсы в зависимости от углового положения коленчатого вала.

Как правило, траверса содержит приводимый в движение кулачком элемент, взаимодействующий с кулачком.

Как правило, привод приводит траверсу в перемещение от головки.

Как правило, каждый клапанный узел содержит по меньшей мере один смещающий элемент для смещения траверсы в направлении головки.

Как правило, смещающий элемент представляет собой пружину.

Как правило, по меньшей мере один клапанный узел выполнен так, что перемещение траверсы от головки приводит к закрытию клапанами соответствующих портов.

Как правило, смещающий элемент способствует перемещению траверсы в направлении головки, приводя к открытию клапанами соответствующих портов.

Как правило, по меньшей мере один клапанный узел выполнен так, что перемещение траверсы от головки приводит к открытию клапанами соответствующих портов.

Как правило, смещающий элемент способствует приведению траверсы в перемещение в направлении головки, приводя к закрытию клапанами соответствующих портов.

Как правило, привод приводит траверсу в перемещение в направлении головки.

Как правило, привод приводит траверсу в управляемое перемещение в направлении головки и от головки на основе возвратно-поступательного перемещения поршня.

Как правило, каждый клапан содержит:

a) удлиненный шток, соединенный с траверсой, и

b) запирающий элемент на конце штока, предназначенный для запирания отверстия соответствующего порта с обеспечением закрытия порта.

Как правило, шток каждого клапана опирается в радиальном направлении на направляющую клапана, расположенную в головке.

Как правило, клапаны одного из клапанных узлов открываются путем их подъема направляющей так, что запирающий элемент входит в головку.

Как правило, поршень совершает возвратно-поступательное движение относительно цилиндра в направлении хода, а траверса перемещается в направлении хода, вызывая тем самым перемещение клапана в направлении хода.

Как правило, клапаны соединены с траверсой симметрично относительно плоскости симметрии траверсы.

Как правило, двигатель содержит:

a) в головке:

i) входную группу портов для обеспечения передачи текучей среды между камерой и входным трубопроводом; и ii) выходную группу портов для обеспечения передачи текучей среды между камерой и выходным трубопроводом;

b) входной клапанный узел, включающий в себя впускные клапаны для управления потоком текучей среды через соответствующие входные порты входной группы портов и входную траверсу, соединенную с впускными клапанами; и

c) выходной клапанный узел, включающий в себя выпускные клапаны для управления потоком текучей среды через соответствующие выходные порты выходной группы портов и выходную траверсу,

- 2 031240 соединенную с впускными клапанами.

Как правило, впускные клапаны выполнены с возможностью открытия при перемещении входной траверсы в направлении от головки, а выпускные клапаны выполнены с возможностью закрытия при перемещении выходной траверсы в направлении от головки.

Как правило, перемещение входной траверсы от головки происходит под действием входного кулачка, а перемещение выходной траверсы от головки происходит под действием выходного кулачка.

Как правило, входной кулачок и выходной кулачок установлены на одном кулачковом валу, причем указанный кулачковый вал соединен с коленчатым валом.

Как правило, входной клапанный узел содержит по меньшей мере один входной смещающий элемент для приведения входной траверсы в перемещение в направлении головки, чтобы, тем самым, сместить впускные клапаны в закрытое положение.

Как правило, выходной клапанный узел содержит по меньшей мере один выходной смещающий элемент для приведения выходной траверсы в перемещение в направлении головки, чтобы, тем самым, сместить выпускные клапаны в открытое положение.

Как правило, впускные клапаны выполнены с возможностью закрытия при перемещении входной траверсы от головки, а выпускные клапаны выполнены с возможностью закрытия при перемещении выходной траверсы от головки.

Как правило, входной клапанный узел содержит по меньшей мере один входной смещающий элемент для приведения входной траверсы в перемещение в направлении к головке с тем, чтобы сместить впускные клапаны в открытое положение.

Как правило, выходной клапанный узел содержит по меньшей мере один выходной смещающий элемент для приведения выходной траверсы в перемещение в направлении головки с тем, чтобы сместить выпускные клапаны в открытое положение.

Как правило, выходная группа портов содержит большее количество портов, чем входная группа портов.

Как правило, полное поперечное сечение выходного потока через выходные порты выходной группы портов больше полного поперечного сечения входного потока через входные порты входной группы портов.

Как правило, поршень имеет вогнутую рабочую поверхность поршня.

Как правило, коленчатый вал установлен внутри двигателя с опорой на роликовые подшипники.

Как правило, поршень содержит уплотнения поршня для формирования уплотнения между поршнем и стенками цилиндра.

Как правило, двигатель содержит множество цилиндров, при этом каждый цилиндр имеет соответствующий поршень, головку и клапанный узел.

Как правило, для всех цилиндров из множества цилиндров применены одинаковые поршень, головка и клапанные узлы.

Как правило, клапанные узлы выполнены так, что входные порты для по меньшей мере одного цилиндра открыты для всех угловых положениях коленчатого вала.

Согласно второму аспекту изобретения, изложенному в обобщенном виде, предложена система генерирования энергии, содержащая:

a) газовый компрессор, принимающий газ и сжимающий газ с получением, тем самым, сжатого газа;

b) двигатель по любому из пп.1-34, выполненный с возможностью принимать сжатый газ от газового компрессора с приведением двигателя в действие сжатым газом.

Как правило, система дополнительно содержит генератор электроэнергии, соединенный с двигателем.

Как правило, генератор электроэнергии предназначен для подачи электроэнергии на по меньшей мере один элемент из группы, включающей в себя:

a) электрическую нагрузку;

b) накопитель электроэнергии;

c) электрический двигатель;

d) газовый компрессор.

Как правило, двигатель выпускает выхлопной газ, имеющий выходную температуру ниже температуры окружающей среды, при этом указанный выхлопной газ применим по меньшей мере для:

a) охлаждения;

b) охлаждения оборудования;

c) замораживания;

d) кондиционирования воздуха.

Как правило, газовый компрессор приводится в действие двигателем внутреннего сгорания.

Как правило, двигатель внутреннего сгорания охлаждается выхлопным газом, выпускаемым двигателем.

Согласно третьему аспекту, приведенному в обобщенном виде, настоящим изобретением предло

- 3 031240 жена энергетическая установка транспортного средства, содержащая вышеописанную систему генерации энергии.

Как правило, транспортное средство содержит колеса, а двигатель механически соединен с приводным механизмом для приведения в действие колес транспортного средства.

Как правило, система содержит накопитель для хранения любого сжатого газа, не используемого для приведения в действие двигателя при подаче сжатого газа газовым компрессором, причем указанный накопитель выполнен с возможностью управляемой подачи сжатого газа в двигатель.

Согласно четвертому аспекту, приведенному в обобщенном виде, настоящим изобретением предложен двигатель, работающий на сжатом газе, выполненный с возможностью приведения в действие сжатым газом, включающий в себя:

a) коленчатый вал;

b) цилиндр, определяющий внутреннюю камеру;

c) поршень, размещенный в камере, причем поршень выполнен с возможностью соединения с коленчатым валом и возможностью возвратно-поступательного движения внутри камеры;

d) головку, соединенную с цилиндром и закрывающую камеру на конце, противоположном поршню, причем головка содержит по меньшей мере одну группу портов, включающую в себя два или более порта для обеспечения передачи текучей среды между камерой и соответствующим трубопроводом, и

e) для каждой группы портов, клапанный узел, соединенный с головкой, при этом каждый клапанный узел включает в себя:

i) для каждого порта из группы портов, клапан для функционального управления потоком текучей среды через соответствующий порт;

ii) траверсу, соединенную с клапанами, причем перемещение траверсы относительно головки приводит к синхронизированной работе клапанов; и iii) привод для приведения траверсы в перемещение на основе возвратно-поступательного движения поршня.

Как правило, двигатель, работающий на сжатом газе, содержит:

a) в головке:

i) входную группу портов для обеспечения передачи сжатого газа между камерой и входным трубопроводом; и ii) выходную группу портов для обеспечения передачи выхлопного газа между камерой и выходным трубопроводом;

b) входной клапанный узел, содержащий впускные клапаны для управления потоком сжатого газа через соответствующие входные порты входной группы портов и входную траверсу, соединенную с впускными клапанами, и

c) выходной клапанный узел, содержащий выпускные клапаны для управления потоком выхлопного газа через соответствующие выходные порты группы выходных портов и выходную траверсу, соединенную с выпускными клапанами.

Согласно пятому аспекту, приведенному в обобщенном виде, настоящим изобретением предложен двигатель внутреннего сгорания, содержащий:

a) коленчатый вал;

b) цилиндр, определяющий внутреннюю камеру;

c) поршень, установленный в камере, причем поршень соединен с коленчатым валом и выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения внутри камеры;

d) головку, соединенную с цилиндром и закрывающую камеру на конце, противоположном поршню, при этом головка содержит по меньшей мере одну группу портов, включающую в себя два или более порта для обеспечения передачи текучей среды между камерой и соответствующим трубопроводом, и

e) для каждой группы портов, клапанный узел, соединенный с головкой, причем каждый клапанный узел содержит:

i) для каждого порта из группы портов, клапан для функционального управления потоком текучей среды через соответствующий порт;

ii) траверсу, соединенную с клапанами, причем перемещение траверсы относительно головки приводит к синхронизированной работе клапанов, и iii) привод для приведения траверсы в перемещение на основе возвратно-поступательного движения поршня.

Как правило, двигатель внутреннего сгорания содержит:

a) в головке:

i) входную группу портов для обеспечения передачи текучей среды топливно-воздушной смеси между камерой и входным трубопроводом; и ii) выходную группу портов для обеспечения передачи текучей среды выхлопных газов между камерой и выходным трубопроводом;

b) входной клапанный узел, содержащий впускные клапаны для управления потоком топливновоздушной смеси через соответствующие входные порты входной группы портов и входную траверсу,

- 4 031240 соединенную с впускными клапанами, и

с) выходной клапанный узел, содержащий выходные клапаны для управления потоком выхлопных газов через соответствующие выходные порты выходной группы портов и выходную траверсу, соединенную с выпускными клапанами.

Как правило, двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере одно устройство из группы, включающей в себя:

a) источник зажигания;

b) свечу накаливания, и

c) топливный инжектор.

Согласно шестому аспекту, приведенному в обобщенном виде, настоящим изобретением предложен двигатель возвратно-поступательного действия, содержащий:

a) коленчатый вал;

b) цилиндр, определяющий внутреннюю камеру;

c) поршень, размещенный в камере, причем поршень соединен с коленчатым валом и выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения внутри камеры;

d) головку, соединенную с цилиндром и закрывающую камеру на конце, противоположном поршню, причем головка содержит порт для обеспечения передачи текучей среды между камерой и соответствующим трубопроводом; и

e) клапанный узел, содержащий:

i) клапан для функционального управления потоком текучей среды через порт;

ii) траверсу, соединенную с клапаном, причем перемещение траверсы в первом направлении приводит к закрытию клапана, а перемещение траверсы во втором направлении приводит к открытию клапана;

iii) привод закрытия для приведения траверсы в перемещение в первом направлении на основе возвратно-поступательного движения поршня, приводя, тем самым, к принудительному закрытию клапана, и iv) по меньшей мере один смещающий элемент для смещения траверсы во втором направлении.

Как правило, клапанный узел выполнен так, что смещающий элемент осуществляет открытие клапана, когда привод закрытия клапана не используется для принудительного закрытия клапана.

Как правило, привод закрытия клапана содержит кулачок, установленный на кулачковом валу, соединенном с возможностью поворота с коленчатым валом, причем кулачок выполнен с возможностью управления перемещением траверсы в зависимости от углового положения коленчатого вала, причем траверса содержит приводимый в движение кулачком элемент, взаимодействующий с кулачком.

Как правило, траверса содержит первую часть траверсы, с которой соединен клапан, и вторую часть траверсы, содержащую приводимый в движение кулачком элемент.

Как правило, между первой частью траверсы и второй частью траверсы определена полость, при этом через указанную полость проходит кулачковый вал.

Как правило, каждый смещающий элемент представляет собой пружину, соединенную с траверсой.

Как правило, каждая пружина соединена с траверсой так, что пружина сжимается, когда траверса перемещается в первом направлении с применением привода закрытия клапана для принудительного закрытия клапана так, что сжатая пружина приводит траверсу в перемещение во втором направлении, тем самым, открывая клапан, когда привод закрытия клапана не используется для принудительного закрытия клапана.

Как правило, каждая пружина установлена на шпильке, отходящей от головки.

Как правило, клапанный узел содержит пару смещающих элементов, расположенных симметрично вокруг клапана.

Как правило, при перемещении траверсы в первом направлении происходит перемещение траверсы от головки, а при перемещении траверсы во втором направлении, происходит перемещение траверсы к головке.

Как правило, клапанный узел содержит два или более клапанов, соединенных с траверсой, причем каждый клапан предназначен для функционального управления потоком текучей среды через соответствующий порт, так, что перемещение траверсы приводит к синхронизированной работе двух или более клапанов.

Как правило, двигатель представляет собой двигатель, работающий на сжатом газе, выполненный с возможностью приведения в действие сжатым газом.

Как правило, двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания, дополнительно содержащий по меньшей мере один из следующих компонентов:

a) источник зажигания;

b) свечу накаливания, и

c) топливный инжектор.

Как правило, клапанный узел дополнительно содержит привод открытия клапана для приведения траверсы в перемещение во втором направлении на основе возвратно-поступательного движения поршня, обеспечивая, тем самым, принудительное открытие клапана.

- 5 031240

Как правило, клапанный узел содержит нарушающий затвор привод для приведения траверсы в перемещение во втором направлении для принудительного открытия затвора между портом и клапаном после закрытия клапана.

Как правило, привод закрытия клапана содержит первый кулачок, установленный на кулачковом валу, соединенном с возможностью поворота с коленчатым валом, а нарушающий затвор привод содержит второй кулачок, установленный на том же самом кулачковом валу, при этом первый и второй кулачки выполнены с возможностью управления перемещением траверсы в зависимости от углового положения коленчатого вала.

Как правило, первый кулачок содержит первый рабочий выступ кулачка, а второй кулачок содержит второй рабочий выступ кулачка, причем при вращении кулачкового вала первый рабочий выступ кулачка приводит траверсу в перемещение в первом направлении, приводя, тем самым, к принудительному закрытию клапана, а второй рабочий выступ кулачка приводит траверсу в перемещение во втором направлении с осуществлением принудительного открытия затвора.

Как правило, траверса содержит первый приводимый в движение кулачком элемент для взаимодействия с первым кулачком и второй приводимый в движение кулачком элемент для взаимодействия со вторым кулачком.

Как правило, траверса содержит:

a) первую часть траверсы, с которой соединен клапан, при этом первая часть траверсы содержит второй приводимый в движение кулачком элемент, и

b) вторую часть траверсы, включающую в себя первый приводимый в движение первым кулачком элемент.

Как правило, кулачковый вал проходит между первой и второй частями траверсы.

Как правило, клапанный узел выполнен так, что смещающий элемент амортизирует закрытие клапана.

Согласно другому аспекту, приведенному в обобщенном виде, настоящим изобретением предложена поршневая машина, содержащая:

a) поворотный вал;

b) корпус, определяющий внутреннюю камеру;

c) поршень, размещенный в камере, причем поршень соединен с валом и выполнен с возможностью перемещения внутри камеры по мере вращения вала;

d) порт, выполненный в корпусе для обеспечения передачи текучей среды между камерой и соответствующий трубопроводом, и

e) клапанный узел, содержащий:

i) клапан для функционального управления потоком текучей среды через порт;

ii) траверсу, соединенную с клапаном, причем перемещение траверсы в первом направлении приводит к закрытию клапана, а перемещение траверсы во втором направлении приводит к открытию клапана;

iii) привод закрытия клапана для приведения траверсы в перемещение в первом направлении на основе возвратно-поступательного движения поршня, приводя, тем самым к принудительному закрытию клапана, и iv) по меньшей мере один смещающий элемент для смещения траверсы во втором направлении.

Как правило, поршневая машина представляет собой по меньшей мере одно устройство из группы, включающей в себя компрессор и двигатель возвратно-поступательного действия.

Согласно другому аспекту, приведенному в обобщенном виде, настоящим изобретением предложен клапанный узел для применения в поршневой машине, содержащий:

a) клапан для функционального управления потоком текучей среды через порт;

b) траверсу, соединенную с клапаном, причем линейное перемещение траверсы в первом направлении приводит к закрытию клапана, а линейное перемещение траверсы во втором направлении приводит к открытию клапана;

c) привод закрытия клапана, содержащий поворотный кулачок, имеющий рабочий выступ кулачка, причем при вращении кулачка выступ кулачка приводит траверсу в перемещение в первом линейном направлении, приводя, тем самым, к принудительному закрытию клапана, и

d) по меньшей мере один смещающий элемент для смещения траверсы во втором линейном направлении так, что по меньшей мере один смещающий элемент открывает клапан, когда клапан не закрывается принудительно приводом.

Согласно еще одному аспекту, приведенному в обобщенном виде, настоящим изобретением предложена поршневая машина, содержащая:

a) поворотный вал;

b) корпус, определяющий внутреннюю камеру;

c) поршень, размещенный в камере, причем поршень соединен с валом и выполнен с возможностью перемещения внутри камеры по мере вращения вала;

d) головку, соединенную с цилиндром и закрывающую камеру на конце, противоположном поршню, причем головка содержит по меньшей мере одну группу портов, включающую в себя два или более

- 6 031240 порта для обеспечения передачи текучей среды между камерой и соответствующим трубопроводом; и

е) для каждой группы портов, клапанный узел, соединенный с головкой, причем каждый клапанный узел содержит:

i) для каждого порта группы портов клапан для функционального управления потоком текучей среды через соответствующий порт;

ii) траверсу, соединенную с клапанами, причем перемещение траверсы относительно головки приводит к синхронизированной работе клапанов; и iii) привод для приведения траверсы в перемещение.

Согласно одному аспекту, приведенному в обобщенном виде, настоящим изобретением предложен клапанный узел для применения в поршневой машине, содержащий:

a) клапан для функционального управления потоком текучей среды через порт;

b) траверсу, соединенную с клапаном, причем линейное перемещение траверсы в первом направлении приводит к закрытию клапана, а линейное перемещение траверсы во втором направлении приводит к открытию клапана;

c) привод закрытия клапана, содержащий поворотный кулачок, имеющий первый рабочий выступ кулачка, причем при вращении первого кулачка первый рабочий выступ кулачка приводит траверсу в перемещение в первом линейном направлении, приводя, тем самым, к принудительному закрытию клапана, и

d) привод открытия клапана для приведения траверсы в перемещение во втором направлении, приводя, тем самым, к по меньшей мере принудительному открытию клапана.

Как правило, клапанный узел содержит первый приводимый в движение первым кулачком элемент, установленный на траверсе, при этом первый приводимый в движение первым кулачком элемент взаимодействует с первым кулачком для приведения траверсы в перемещение в первом линейном направлении.

Как правило, первый кулачок расположен между первым приводимым в движение кулачком элементом и клапаном.

Как правило, первый рабочий выступ кулачка приводит первый приводимый в движение кулачком элемент в перемещение в первом линейном направлении от клапана.

Как правило, первый приводимый в движение кулачком элемент подвижно установлен на траверсе.

Как правило, первый приводимый в движение кулачком элемент выполнен с возможностью приведения в перемещение во втором направлении относительно траверсы посредством смещающей пружины.

Как правило, положение первого приводимого в движение кулачком элемента в первом или втором направлении является регулируемым для регулирования степени подъема клапана.

Как правило, привод открытия клапана содержит поворотный второй кулачок, имеющий второй рабочий выступ кулачка, причем при вращении второго кулачка, второй рабочий выступ кулачка приводит траверсу в перемещение во втором линейном направлении, приводя, тем самым, к принудительному открытию клапана.

Как правило, клапанный узел содержит второй приводимый в движение кулачком элемент, установленный на траверсе, причем второй приводимый в движение кулачком элемент взаимодействует со вторым кулачком для осуществления перемещения траверсы во втором линейном направлении.

Как правило, второй приводимый в движение кулачком элемент расположен между вторым кулачком и клапаном.

Как правило, второй кулачок установлен коаксиально первому кулачку и с возможностью обязательного поворота совместно с первым кулачком.

Как правило, первый и второй кулачки установлены на общем кулачковом валу.

Как правило, клапанный узел содержит по меньшей мере два первых кулачка, расположенных на расстоянии друг от друга на общем валу, причем по меньшей мере два первых кулачка взаимодействуют с соответствующими по меньшей мере двумя первыми приводимыми в движение кулачком элементами, установленными на траверсе.

Как правило, клапанный узел содержит по меньшей мере два вторых кулачка, расположенных на расстоянии друг от друга на общем валу, причем по меньшей мере два вторых кулачка взаимодействуют с соответствующими по меньшей мере двумя вторыми приводимыми в движение кулачком элементами, установленными на траверсе.

Как правило, клапанный узел содержит множество первых кулачков, расположенных на расстоянии друг от друга на общем валу.

Как правило, второй рабочий выступ кулачка дополнительно ограничивает движение траверсы в первом линейном направлении, когда первый кулачок не приводит траверсу в перемещение в первом линейном направлении.

Как правило, привод открытия клапана содержит пружину для смещения клапана во втором линейном направлении.

Как правило, траверса содержит первую и вторую части траверсы.

Как правило, между первой и второй частями траверсы определено отверстие, через которое прохо

- 7 031240 дит кулачковый вал.

Как правило, клапан соединен с первой частью траверсы, причем клапанный узел содержит первый приводимый в движение кулачком элемент, установленный на второй части траверсы.

Как правило, клапанный узел содержит второй приводимый в движение кулачком элемент, соединенный с первой частью траверсы.

Как правило, клапанный узел содержит по меньшей мере один кулачок и приводимый в движение кулачком элемент, смещенный от траверсы в боковом направлении.

Как правило, клапанный узел содержит множество клапанов, траверс и приводов открытия, размещенных на расстоянии друг от друга, причем каждый привод открытия клапана содержит по меньшей мере один первый кулачок, при этом все первые кулачки установлены на общем валу.

Согласно еще одному аспекту изобретения, представленному в общем виде, предложен клапанный узел для применения в поршневой машине, содержащий:

a) клапан для функционального управления потоком текучей среды через порт;

b) траверсу, соединенную с клапаном, причем линейное перемещение траверсы в первом направлении приводит к закрытию клапана, а линейное перемещение траверсы во втором направлении приводит к открытию клапана;

c) привод закрытия клапана, содержащий поворотный кулачок, имеющий рабочий выступ кулачка, взаимодействующий с приводимым в движение кулачком элементом на траверсе, причем при вращении кулачка рабочий выступ кулачка приводит приводимый в движение кулачком элемент и, следовательно, траверсу в перемещение в первом линейном направлении, приводя, тем самым, к принудительному закрытию клапана, причем кулачок расположен между приводимым в движение кулачком элементом и клапаном.

Вышеописанные общие варианты изобретения и их соответствующие признаки могут применяться независимо или в комбинации или заменять друг друга и ссылка на соответствующие обобщенные варианты не имеет ограничительного характера.

Краткое описание чертежей

Ниже описан пример настоящего изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

на фиг. 1А схематически в аксонометрии показан первый пример двигателя возвратнопоступательного действия, имеющего первое угловое положение коленчатого вала;

на фиг. 1В схематически в аксонометрии показан двигатель возвратно-поступательного действия с фиг. 1А, имеющий второе угловое положение коленчатого вала;

на фиг. 1С схематически в аксонометрии показан вид снизу головки двигателя возвратнопоступательного действия, показанного на фиг. 1В;

на фиг. 1D схематически показан вид сверху двигателя возвратно-поступательного действия по фиг. 1А;

на фиг. 1Е схематически показано поперечное сечение двигателя возвратно-поступательного действия с фиг. 1А по линии А-А', показанной на фиг. 1D, иллюстрирующей положения впускного клапана в первом угловом положении коленчатого вала;

на фиг. 1F схематически показано поперечное сечение двигателя возвратно-поступательного действия с фиг. 1А по линии В-В', показанной на фиг. 1D, иллюстрирующей положения выпускного клапана в первом угловом положении коленчатого вала;

на фиг. 1G схематически показано поперечное сечение двигателя возвратно-поступательного действия с фиг. 1В по линии А-А', показанной на фиг. 1D, иллюстрирующей положения впускного клапана во втором угловом положении коленчатого вала;

на фиг. 1Н схематически показано поперечное сечение двигателя возвратно-поступательного действия с фиг. 1В по линии В-В', показанной на фиг. 1D, иллюстрирующей положения выпускного клапана во втором угловом положении коленчатого вала;

на фиг. П-1Р схематически показаны поперечные сечения двигателя возвратно-поступательного действия с фиг. 1В по линии С-С', показанной на фиг. 1D, иллюстрирующей соответствующие положения впускного клапана и выпускного клапана при разных угловых положениях коленчатого вала;

на фиг. 2А схематически в аксонометрии показан вид спереди примера пневматического двигателя, имеющего конфигурацию V4;

на фиг. 2В схематически показан в аксонометрии вид сзади пневматического двигателя с фиг. 2А;

на фиг. 2С схематически показан в аксонометрии вид спереди пневматического двигателя с фиг. 2А, на котором установлено несколько крышек;

на фиг. 2D схематически показан вид снизу пневматического двигателя с фиг. 2А с удаленным картером для иллюстрации коленчатого вала;

на фиг. 2Е схематически показано поперечное сечение одного из цилиндров пневматического двигателя с фиг. 2А;

на фиг. 3A схематически показан в аксонометрии вид спереди головки и соответствующих клапанных узлов двигателя с фиг. 2А;

- 8 031240 на фиг. 3B схематически показан вид спереди головки и клапанных узлов с фиг. 3A;

на фиг. 3C схематически показан вид сбоку головки и клапанных узлов с фиг 3A;

на фиг. 3D схематически показан в аксонометрии вид снизу головки и клапанных узлов с фиг. 3A;

на фиг. 3E схематически показан в аксонометрии вид снизу клапанных узлов с фиг. 3A с удаленной головкой;

на фиг. 4А схематически показан вид сбоку, иллюстрирующий первый поршень и соответствующие клапаны двигателя с фиг. 2А, в котором первый поршень достигает верхнего положения мертвой точки;

на фиг. 4В схематически показан вид спереди первого поршня с фиг. 4В;

на фиг. 4С схематически показан вид сбоку, иллюстрирующий второй поршень и соответствующие клапаны пневматического двигателя с фиг. 2А, в котором второй поршень достигает положения 90° после верхнего положения мертвой точки;

на фиг. 4D схематически показан вид спереди второго поршня с фиг. 4С;

на фиг. 4Е схематически показан вид сбоку, иллюстрирующий третий поршень и соответствующие клапаны пневматического двигателя с фиг. 2А, когда третий поршень достигает положения 180° после верхнего положения мертвой точки;

на фиг. 4F схематически показан вид спереди третьего поршня с фиг. 4Е;

на фиг. 4G схематически показан вид сбоку, иллюстрирующий четвертый поршень и соответствующие клапаны пневматического двигателя, показанного на фиг. 4А, когда четвертый поршень достигает положения 270° после верхнего положения мертвой точки;

на фиг. 4Н схематически показан вид спереди четвертого поршня с фиг. 4G;

на фиг. 5А показана диаграмма режимов открытия и закрытия клапанов для первого поршня пневматического двигателя, показанного на фиг. 4А, по отношению к абсолютному углу поворота коленчатого вала;

на фиг. 5В показана диаграмма режимов открытия и закрытия клапанов для второго поршня пневматического двигателя, показанного на фиг. 4С, по отношению к абсолютному углу поворота коленчатого вала;

на фиг. 5С показана диаграмма режимов открытия и закрытия клапанов для третьего поршня пневматического двигателя, показанного на фиг. 4С, по отношению к абсолютному углу поворота коленчатого вала;

на фиг. 5D показана диаграмма режимов открытия и закрытия клапанов для четвертого поршня пневматического двигателя, показанного на фиг. 4D, по отношению к абсолютному углу поворота коленчатого вала;

на фиг. 6А схематически в аксонометрии показан вид сверху головки пневматического двигателя с фиг. 2А;

на фиг. 6В схематически в аксонометрии показан вид снизу головки с фиг. 6А;

на фиг. 6С схематически показано поперечное сечение головки с фиг. 6А;

на фиг. 7А схематически в аксонометрии показан вид сверху входной траверсы пневматического двигателя с фиг. 2А;

на фиг. 7В схематически в аксонометрии показан вид снизу выходной траверсы с фиг. 7А;

на фиг. 8А схематически в аксонометрии показан вид сверху выходной траверсы пневматического двигателя с фиг. 2А;

на фиг. 8В схематически в аксонометрии показан вид снизу выходной траверсы выпускного клапана с фиг. 8А;

на фиг. 9А схематически в аксонометрии показан вид сверху впускного клапана пневматического двигателя с фиг. 2А;

на фиг. 9В схематически в аксонометрии показан вид снизу впускного клапана с фиг. 9А;

на фиг. 10А схематически в аксонометрии показан вид сверху выпускного клапана пневматического двигателя с фиг. 2А;

на фиг. 10В схематически в аксонометрии показан выпускной клапан с фиг. 10А;

на фиг. 11А схематически в аксонометрии показан вид сверху направляющей клапана пневматического двигателя с фиг. 2А;

на фиг. 11В схематически в аксонометрии показан вид снизу направляющей клапана с фиг. 11 А;

на фиг. 12А схематически в аксонометрии показан вид коленчатого вала пневматического двигателя с фиг. 2А;

на фиг. 12В схематически показан вид спереди коленчатого вала с фиг. 12А;

на фиг. 13 схематически в аксонометрии показан вид кулачкового вала пневматического двигателя с фиг. 2А;

на фиг. 14А схематически в аксонометрии показан пример двигателя внутреннего сгорания;

на фиг. 14В схематически в аксонометрии показан вид снизу головки двигателя внутреннего сгорания, показанного на фиг. 14А;

на фиг. 14С схематически показано поперечное сечение двигателя внутреннего сгорания с фиг. 1А, иллюстрирующее соответствующие положения впускного и выпускного клапанов, когда поршень нахо

- 9 031240 дится в положении верхней мертвой точки;

на фиг. 14D схематически показано поперечное сечение двигателя внутреннего сгорания с фиг. 1А, иллюстрирующее соответствующие положения впускного и выпускного клапанов, когда поршень находится в положении, которое он занимает после прохождения части рабочего хода;

на фиг. 15А схематически показан вид сзади примера клапанного узла и головки двигателя возвратно-поступательного действия;

на фиг. 15В схематически показан вид сбоку клапанного узла и головки с фиг. 15А;

на фиг. 16 схематически показан вид сбоку другого примера клапанного узла и головки аналогичный примеру с фиг. 15А, но в котором с траверсой соединены два клапана;

на фиг. 17А-17С схематически показаны поперечные сечения компрессора, иллюстрирующие соответствующие положения впускного и выпускного клапанов при различных угловых положениях вала;

на фиг. 18А схематически показан вид сзади другого примера клапанного узла и головки двигателя возвратно-поступательного действия;

на фиг. 18В схематически показан вид сбоку клапанного узла и головки с фиг. 18А;

на фиг. 19А схематически показан вид сбоку другого примера клапанного узла;

на фиг. 19В схематически показан вид сзади клапанного узла с фиг. 19А; и на фиг. 20А-20С схематически показаны виды сзади клапанного узла с фиг. 19А в ходе вращения коленчатого вала.

Осуществление изобретения

Далее со ссылкой на фиг. 1A-1D описан пример двигателя 100 возвратно-поступательного действия. Как следует из нижеприведенного описания, двигатель 100 включает в себя некоторые признаки, которые обычно присущи традиционным конструкциям возвратно-поступательных двигателей и следует принимать во внимание, что эти признаки могут быть реализованы с применением известных технологий.

Как показано на фиг. 1А и 1В, двигатель 100 обычно содержит коленчатый вал 110, цилиндр 120 и поршень 130, который в целом может иметь обычную конструкцию. Как и в случае традиционных конструкций двигателей возвратно-поступательного действия, цилиндр 120 определяет внутреннюю камеру 121, внутри которой расположен поршень 130, причем поршень соединен с коленчатым валом и выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения внутри камеры 121.

В рассматриваемом случае двигатель 100 имеет один цилиндр 120 и поршень 130, хотя следует принимать во внимание, что могут применяться конфигурации двигателя, имеющие множество цилиндров 120 и соответствующих поршней 130, в соответствии с известными технологиями. В многоцилиндровых конфигурациях двигателей все поршни 130 могут быть соединены с общим коленчатым валом 110 (хотя это не существенно), а цилиндры 120 могут быть размещены в виде разных геометрических конфигураций, например, однорядной, V-образной, радиальной или горизонтальной.

В любом случае двигатель 100 дополнительно содержит головку 140, соединенную с цилиндром

120 и закрывающую камеру 121 на конце, противоположном поршню 130. Следует отметить, что многоцилиндровые конфигурации двигателя, упомянутые выше, могут включать в себя множество головок 140, соответствующих каждому цилиндру 120 или, альтернативно, могут содержать одну или более головок 140, которые являются общими для более, чем одного цилиндра 120.

Подробности устройства нижней части головки 140, которая сопряжена с камерой 121, показаны на фиг. 1С. Головка 140 содержит группы 141, 142 портов, включающие в себя два или более портов 143, 145 для обеспечения передачи текучей среды между камерой 121 и соответствующим трубопроводом (не показан), соединенным с отверстием 144, 146, выполненным в головке 140.

В рассматриваемом случае головка 140 содержит две группы 141, 142 портов. В частности, предусмотрена входная группа 141 портов для обеспечения передачи текучей среды между камерой 121 и входным трубопроводом (не показан), соединенным с входным отверстием 144 посредством двух входных портов 143, и выходная группа 142 портов для обеспечения передачи текучей среды между камерой

121 и выходным трубопроводом (не показан), соединенным с выпускным отверстием 146 посредством двух выпускных портов 145.

Следует отметить, что текучая среда, проходящая через каждую из групп портов 141, 142 зависит от типа двигателя 100 возвратно-поступательного действия. В двигателе внутреннего сгорания по входному трубопроводу может поступать топливно-воздушная смесь, поступающая через входную группу 141 портов в камеру 121, для ее сгорания, а продукты сгорания могут выходить из камеры 121 в выпускной трубопровод через выходную группу 142 портов. Альтернативно, в пневматическом двигателе, по входному трубопроводу может подаваться сжатый воздух и через входную группу 141 портов поступать в камеру 121, где происходит его расширение, а расширенный воздух может поступать из камеры 121 в выпускной трубопровод через выходную группу 142 портов.

Настоящий пример описан, исходя из предположения, что двигатель 100 работает как пневматический двигатель, хотя следует принимать во внимание, что признаки двигателя 100 могут быть применимы к возвратно-поступательному двигателю любого типа. Следует также отметить, что в настоящем примере рассмотрен двухтактный цикл двигателя возвратно-поступательного действия, хотя следует по

- 10 031240 нимать, что аналогичные принципы могут быть применимы при использовании четырехтактных циклов или других циклов двигателя.

В любом случае, двигатель 100 дополнительно содержит, для каждой группы 141, 142 портов, клапанный узел 161, 162 (обозначенный в целом на виде сверху, показанном на фиг. 1D), соединенный с головкой 140. Каждый клапанный узел 161, 162 содержит клапан 163, 165 для каждого порта 143, 145 для функционального управления потоком текучей среды через соответствующий порт 143, 145.

Таким образом, в рассматриваемом примере предусмотрен входной клапанный узел 161, содержащий впускные клапаны 163 для управления потоком текучей среды через входные порты 143 входной группы 141 портов и, аналогично, предусмотрено выходной клапанный узел 162, содержащий выпускные клапаны 165 для управления потоком текучей среды через выходные порты 145 выходной группы 142 портов. В настоящем примере в каждом клапанном узле 161, 162 имеется два клапана 163, 165, хотя следует понимать, что в клапанном узле 161, 162 может быть предусмотрено более двух клапанов, при этом количество клапанов 163, 165 соответствует количеству портов 143, 145 в соответствующих группах 141, 142 портов.

Каждый клапанный узел 161, 162 содержит траверсу 171, 172, соединенную с клапанами 163, 165. В рассматриваемом примере входная траверса 171 соединена с двумя впускными клапанами 163, а выходная траверса 172 соединена с двумя выпускными клапанами 165. Траверсы 171, 172 выполнены таким образом, что перемещение каждой траверсы 171, 172 относительно головки 140 приводит к синхронизированной работе соответствующих клапанов 163, 165, соединенных с ней.

Каждый клапанный узел 161, 162 также включает в себя привод 181, 182 для приведения соответствующей траверсы 171, 172 в движение в зависимости от возвратно-поступательного движения поршня 130. Таким образом, каждая траверса 171, 172 выполнена с возможностью перемещения так, что в ходе работы двигателя 100 клапаны 163, 165 могут управлять потоком текучей среды через соответствующие порты 143, 145.

Существует множество различных способов управления работой приводов 181, 182 на основе возвратно-поступательного движения поршня 130. Например, приводы 181, 182 могут быть механически соединены с коленчатым валом 110 так, что приводы 181, 182 приводят соответствующие траверсы 171, 172 в движение в зависимости от углового положения коленчатого вала 110, при этом понятно, что это будет соответствовать возвратно-поступательному движению присоединенного поршня 130. Приводы могут быть выполнены в виде кулачков на кулачковом валу, который соединен с возможностью поворота с коленчатым валом 110 с применением зубчатого ремня или цепи распределительного механизма. Каждый кулачок может входить в контакт с соответствующей траверсой 171, 172 для приведения траверсы в движение конкретным образом в зависимости от профиля кулачка. Дополнительные особенности такой конструкции с использованием кулачков в качестве приводов 181, 182 описаны в нижеследующем примере.

Альтернативно, может быть предусмотрен датчик (не показан) для определения положения поршня 130 или углового положения коленчатого вала, а приводы 181, 182 могут работать на основе сигналов, выдаваемых датчиком. В этом случае приводы 181, 182 могут в случае необходимости приводиться в действие электро-механическим способом, в зависимости от определенного положения, за счет чего можно получить более управляемое и сложное перемещение траверс 171, 172, чем в случае использования устройства с механическим соединением.

В любом случае, каждая из траверс 171, 172 соединена с клапанами 163, 165, которые управляют потоком текучей среды через порты 143, 145 соответствующих групп 141, 142 портов и, таким образом, обеспечивает синхронизированное управление потоком текучей среды в камеру 121 и из нее через каждую группу 141 портов. Это позволяет оснастить двигатель 100 множеством входных портов 143 и/или выходных портов 145, расположенных в группе и управляемых совместно и синхронно. Однако, несмотря на то, что в данном примере для каждого из входных портов 143 и выходных портов 145 предусмотрена группа 141, 142 портов, это не является существенным и наряду с группами 141, 142 портов, описанных в вышеприведенном примере, могут использоваться отдельные узлы входных и выходных портов, оснащенных клапанами.

Следует отметить, что вышеописанная конструкция двигателя 100 возвратно-поступательного действия обеспечивает эффективный способ управления множеством портов 143, 145 одновременно с применением относительно простой механической конструкции. Применение группы множества входных и выходных портов 143, 145, управляемых соответствующими клапанами 163, 165, для управления проходящего через них потока газа обычно является преимущественным по сравнению с применением отдельных входных и выходных портов, поскольку это позволяет получить большие величины расхода без необходимости увеличивать размер клапанов 163, 165, что способствует увеличению чувствительности и энергоэффективности. Однако, в традиционных двигателях, управление множеством клапанов привело к значительному усложению конструкции.

Напротив, вышеописанная конструкция позволяет одновременно надежным образом управлять множеством клапанов 163, 165, соответствующих групп 141, 142 портов с применением траверс 171, 172 со значительным уменьшением сложности по сравнению с известными способами управления клапана- 11 031240 ми. Такая конструкция может также привести к значительному повышению чувствительности клапанов 163, 165, что может также способствовать повышению эффективности.

В настоящем примере, в котором двигатель 100 представляет собой пневматический двигатель, входная траверса 171 обычно перемещается посредством соответствующего привода 181 так, что впускные клапаны 163 обеспечивают проход сжатого воздуха в камеру 121 через входные порты 143, когда поршень 130 совершает ход вниз (то есть, в направлении от головки 140) от положения верхней мертвой точки или от положения около верхней мертвой, так, что сжатый воздух может приводить в действие поршень 130, приводя к передаче мощности на коленчатый вал 110.

Сравнив фиг. 1А и 1В можно увидеть, что на этих фигурах двигатель 100 показан при разном положении поршня. В частности, на фиг. 1А показан двигатель вскоре после того, как поршень 130 начал ход вниз после прохождения верхней мертвой точки, при этом приводы 181, 182 вызвали движение входной и выходной траверс 171, 172 вверх в поднятое положение. С другой стороны, на фиг. 1В показан двигатель 100 вскоре после того, как поршень начал ход вверх после прохождения нижней мертвой точки (180° после верхней мертвой точки), и в этом случае приводы 181, 182 вызвали движение входной и выходной траверс 171, 172 вниз в опущенное положение.

Следует отметить, что в случае пневматического двигателя, на фиг. 1А проиллюстрирован фрагмент во время рабочего хода, в котором поршень приводится в действие посредством сжатого газа. На фиг. 1Е и 1F соответственно показаны поперечные сечения входного клапанного узла 161 и выходного клапанного узла 162, показанных на фиг. 1D.

Как видно на фиг. 1Е, поднятое положение входной траверсы 171 приводит к открытию впускных клапанов 163 так, что запирающие элементы 164 впускных клапанов отходят от входных портов 143. Это позволяет сжатому воздуху, подаваемому во входную камеру 147 через входное отверстие 144, как показано стрелкой 101, проходить через входные порты 143 в камеру 121. Таким образом, сжатый газ может воздействовать на поршень и запускать рабочий такт двигателя 100.

Обращаясь к фиг. 1F, иллюстрирующей компоненты выходного узла 162 при том же положении поршня 130, что и на фиг. 1Е, следует отметить, что поднятое положение выходной траверсы приводит к соединению запирающих элементов 166 выпускных клапанов 165 с выходными портами 145 так, что выходные порты закрываются, предотвращая выход сжатого газа из камеры 121.

На фиг. 1В показан фрагмент во время обратного хода, в котором поршень 130 вытесняет расширенный газ из камеры 121. На фиг. 1G и 1Н показаны соответствующие поперечные сечения входного клапанного узла 161 и выходного клапанного узла 162.

Как показано на фиг. 1G, входной привод 181 вызвал перемещение входной траверсы 171 в опущенное положение и это, в свою очередь, привело к опусканию впускных клапанов 163 так, что запирающие элементы 164 впускных клапанов закрыли входные порты 143 и перекрыли доступ сжатого газа в камеру 121 во время обратного хода.

Как показано на фиг. 1Н, опущенное положение выходной траверсы 172 привело к тому, что запирающие элементы 166 выпускных клапанов 165 отсоединились от выходных портов 145, переместившись в направлении вниз так, чтобы открыть выходные порты 145 и обеспечить выход выхлопного газа через выходные порты в выпускную камеру 148 и, в свою очередь, из головки 140 через выпускное отверстие 146, как показано стрелкой 102.

Наличие траверс 171, 172 позволяет значительно снизить механическую сложность двигателя 100 по сравнению с обычными двигателями, в которых на цилиндр приходится множество впускных и/или выпускных клапанов. Например, использование траверсы 171, 172 для каждой группы 141, 142 портов означает, что необходимо предусмотреть только наличие подходящего привода 181, 182 для управления каждой группой 141, 142 портов, тогда как в традиционных конструкциях используют отдельные приводы (кулачки, коромысла и т.п.) для каждого клапана. Таким образом, в конструкции двигателя 100 удается уменьшить количество движущихся деталей и потенциальных точек износа и/или выхода из строя.

Как следствие упомянутого снижения механической сложности, может быть уменьшена подвижная масса клапанных узлов 161, 162 по сравнению с эквивалентной подвижной массой эквивалентных традиционных клапанов и приводов, что может привести к повышению чувствительности в управлении портами 143, 144, 145 и 146. Другими словами, наличие траверс 171, 172 может обеспечить повышенную скорость и эффективность в переключении направления потока в камеру и из камеры. Это, в свою очередь, позволяет получить более высокую частоту вращения двигателя 100 и/или управление портами 143, 145 с такими временными характеристиками, которые недоступны при использовании традиционных конструкций. Следует отметить, что благодаря этому, двигатель 100 обладает улучшенными характеристиками и/или имеет более высокую эффективность, чем эквивалентный двигатель традиционной конструкции.

В случае механического подсоединения приводов 181, 182 пониженная механическая сложность клапанных узлов 161, 162 по сравнению с традиционными клапанными системами может привести к уменьшению нагрузки на двигатель 100, связанной с работой клапанов 163, 165, что позволяет повысить эффективность по сравнению с традиционными конструкциями.

Следует отметить, что конкретные перемещения траверс 171, 172, вызванные приводами 181, 182

- 12 031240 могут зависеть от ряда факторов, например типа клапанов, соединенных с траверсой 171, 172, требований, предъявляемых к потоку текучей среды и т.п. Как упомянуто выше, поднятие траверс 171, 172 может привести к принудительному открытию или закрытию связанных с ними клапанов 163, 165, в зависимости от того, выполнены ли они так, что открываются путем перемещения в головку 140. как в случае с впускными клапанами 163, или в камеру 121, как в случае с выпускными клапанами 165. Альтернативно, приводы 181, 182 могут вызывать опускание одной или обеих траверс 171, 172 в направлении головки 140 для принудительного открытия или закрытия клапанов 163, 165. В некоторых примерах, приводы

181, 182 могут быть выполнены так, чтобы принудительно поднимать и опускать траверсы 171, 172 для принудительного открытия и закрытия клапанов 163, 165.

Соответственно, следует отметить, что конфигурации клапанов 163, 165 и их конкретных характеристик открытия и закрытия, зависящих от перемещений траверс 171, 172 под действием приводов 181,

182, не ограничены конкретными вариантами, хотя, как будет показано в последующих примерах, некоторые конфигурации могут быть предпочтительными в конкретных областях применения.

Вышеописанная конструкция также предусматривает возможность использования клапанов 163, 165, имеющих нестандартную конструкцию и принцип работы. Например, траверсы 171 позволяют открывать и закрывать клапаны 163, 165 путем толкания или вытягивания, в зависимости от конструкции приводов 181, 182 и клапанов 163, 165, что обеспечивает большую гибкость в отношении способа применения клапанов 163, 165 для управления потоком текучей среды через порты 143, 145, по сравнению с традиционными современными двигателями, оснащенными клапанами, в которых обычно используются конструкции со стандартными тарельчатыми клапанами.

Например, по меньшей мере, некоторые из клапанов 163, 165 могут быть выполнены так, что при их открытии они втягиваются в головку 140 с тем, чтобы таким образом избежать вхождения части клапанов 163, 165 в камеру 121. Это представляет собой фактически обратное действие по сравнению со стандартными тарельчатыми клапанами, открытие которых осуществляется за счет толчка так, что запирающий элемент проникает в камеру и в этом случае необходимо тщательно прорабатывать конструкцию для того, чтобы избежать возможных помех, создаваемых клапанами поршню в ходе его работы. Такое обратное действие может обеспечить дополнительное повышение эффективности за счет минимизации мертвой зоны цилиндра, наличие которой, необходимо в традиционных двигателях для того, чтобы избежать нежелательного взаимодействия с клапанами. Кроме того, возможность изменить направление работы клапанов 163, 165 вышеописанным образом позволяет получить конструкцию, в которой перепады давления в ходе работы двигателя 100 могут быть выгодно использованы для открытия и закрытия клапанов 163, 165.

В рассматриваемом случае впускные клапаны 163 имеют обратное действие, как описано выше, тогда как в выпускных клапанах 165 операция открытия аналогична клапанам традиционных двигателей внутреннего сгорания.

Применение траверс 171, 172, как показано выше, может также обеспечить возможность принудительного приведения клапанов 163 и 165 в открытое и закрытое положение, устраняя тем самым явление неполного закрытия клапанов, которое, в противном случае, может возникнуть при высокоскоростных операциях в традиционных двигателях, использующих тарельчатые клапаны, которые только открываются под воздействием кулачков, но закрываются с помощью пружины.

Следует отметить, что конкретный режим открытия и закрытия клапанов 163, 165 для управления потоком текучей среды для каждой группы 141, 142 портов может быть выбран так, чтобы настроить желаемые рабочие характеристики двигателя 100. Конкретные примеры режимов, подходящих для работы двигателя 100 в качестве пневматического двигателя, показаны на фиг. 1I-1P, иллюстрирующих поперечные сечения, перпендикулярные сечениям, показанным на фиг. 1Е-1Н с тем, чтобы показать положения впускного и выпускного клапанов 163, 165 относительно положений поршня, измеренных относительно положения верхней мертвой точки.

На фиг. 11 показано открытие впускных клапанов 163 при 0° после верхней мертвой точки (ПВМТ) с началом, таким образом, рабочего хода путем обеспечения прохода сжатого воздуха, поданного во входную камеру, в камеру 121 через порты 143. Такая конфигурация остается неизменной при проходе через положение 90° после верхней мертвой точки, как показано на фиг. 1J, и до положения приблизительно 156° после верхней мертвой точки, в котором впускные клапаны 163 закрыты, как показано на фиг. 1K. Вскоре после этого открываются выпускные клапаны 165, как показано на фиг. 1L, иллюстрирующей положение 165° после верхней мертвой точки. Выпускные клапаны 165 открываются только после закрытия впускных клапанов 163 для предотвращения перекрестного течения воздуха и, таким образом, расходования сжатого воздуха впустую.

Как показано на фиг. 1М, поршень 130 проходит через положение 180° после верхней мертвой точки (или нижней мертвой точки), при этом выпускные клапаны 165 остаются открытыми и вслед за этим начинается рабочий ход, в ходе которого расширенный в камере 121 газ выходит через выпускные порты 145. На фиг. 1N показан продолжающийся обратный ход через положение 270° после верхней мертвой точки. В положении 355° после верхней мертвой точки, как показано на фиг. 10, выпускные клапаны 165 закрыты и готовы к новому рабочему ходу. Наконец, поршень 130 возвращается в положение верхней

- 13 031240 мертвой точки, как показано на фиг. 1Р, в котором впускные клапаны 163 снова открываются и запускается новый цикл двигателя 100.

Следует отметить, что двигатель 100 может быть изготовлен с применением известных технологий изготовления двигателей и традиционных материалов. В соответствии с одним примером цилиндр 120 и камера 121 могут быть выполнены как часть картера 101, закрывающего коленчатый вал 110. Компоненты/узлы двигателя, такие как картер 101, цилиндр 120, поршень 130, шатун 131, головка 140, части клапанных узлов 161, 162 и другие подобные детали, могут быть изготовлены из любых подходящих материалов, включая сталь, керамику, пластики и т.п., в зависимости от технических требований.

В нижеследующих примерах вариантов осуществления двигателя подробно описаны дополнительные особенности предпочтительных технологий изготовления, а также примеры опциональных признаков.

Далее со ссылкой на фиг. 2А-2Е рассмотрен пример пневматического двигателя, являющегося вариантом осуществления вышеописанного двигателя 100 возвратно-поступательного действия. Компоненты, аналогичные описанным в предыдущем примере, обозначены аналогичными номерами позиций, увеличенными на 100 по сравнению с используемыми выше.

Как показано на фиг. 2А и 2В, пневматический двигатель 200 включает в себя центральный картер 201, с которым соединены четыре цилиндра 220. В настоящем примере картер выполнен из механически обработанных алюминиевых пластин, соединенных друг с другом с применением подходящих крепежных элементов, например, винтов. Однако следует отметить, что могут применяться разнообразные технологии изготовления картера в зависимости от конкретных требований, предъявляемых к конструкции пневматического двигателя 200. К картеру 201 могут быть присоединены монтажные опоры 202, применяемые для установки картера.

Картер 201 заключает в себе коленчатый вал 210, который обычно опирается на подшипники (не показаны), прикрепленные к конструкции картера 201. Предпочтительным является применение роликовых подшипников, обеспечивающих хорошую опору при уменьшенном трении. Тем не менее, следует отметить, что могут применяться подшипники других типов, например, шариковые подшипники или цапфовые подшипники.

Четыре цилиндра 220 пневматического двигателя 200 выходят из картера 201 двумя блоками. В рассматриваемом примере пневматический двигатель 200 имеет конфигурацию V4. Другими словами, четыре цилиндра пневматического двигателя 200 включающие в себя четыре цилиндра 220 и соответствующие поршни 230, размещенные внутри них, расположены вокруг коленчатого вала в форме буквы V. В настоящем примере соответствующие блоки цилиндров 220, расположенные вдоль каждой ножки буквы V смещены друг относительно друга на угол 90°.

Цилиндры 220 могут быть изготовлены из алюминия или любого другого подходящего материала, устойчивого к воздействию рабочих условий, имеющих место внутри камеры в ходе работы двигателя.

На фиг. 2D показан дополнительный вид пневматического двигателя 200 с удаленным картером 201 для того, чтобы продемонстрировать устройство коленчатого вала 210 и поршней 230. Внутри каждого цилиндра 220 предусмотрен поршень 230, соединенный с коленчатым валом 210 посредством шатуна 131.

Коленчатый вал 210 содержит две шейки 211 вала, каждая из которых проходит между двух щёк 212 и смещена относительно поворотной оси коленчатого вала 210. Дополнительные особенности конструкции коленчатого вала 210 показаны на фиг. 12А и 12В.

Каждая шейка 211 соединена с двумя шатунами 231, которые в свою очередь соединены с соответствующим поршнем 230 в каждой ножке буквы V, которую образуют блоки цилиндров 220. Каждая шейка 211 смещена относительно другой на 180°, что, принимая во внимание угол 90° между блоками цилиндров 220, обеспечивает смещение на 90° между каждым из четырех поршней 230 относительно углового положения коленчатого вала 210. Благодаря этому возникает эффект размещения поршней 230 внутри соответствующих цилиндров 220 в шахматном порядке для обеспечения равномерной подачи мощности пневматическим двигателем 200 и с подходящими режимами работы клапана, с перекрытием рабочих ходов для обеспечения возможности самозапуска пневматического двигателя 200 без необходимости применения стартерного двигателя или подобного устройства.

Дополнительные особенности взаимосвязи цилиндра 220, поршня 230 и головки 240 можно увидеть на поперечном сечении, показанном на фиг. 2Е. На фигуре виден поршень 230, соединенный с шейкой 211 вала шатуном 231. Обычно в месте соединения между одним концом шатуна 231 и шейкой 211 вала предусмотрен подшипник 232. Для соединения поршня 230 с другим концом шатуна 231 применяется поршневой палец 233 и в месте этого соединения может быть также предусмотрен другой подшипник.

В настоящем примере поршни 230 изготовлены из конструкционного пластика, такого как ацетил. Однако, следует отметить, что может использоваться любой подходящий материал. Использование относительно легкого материала в совокупности с формированием соответствующих облегчающих признаков в конструкции поршня 230 способствует уменьшению массы поршней 230 и, таким образом, энергии, требуемой для перемещения поршней 230 в ходе работы пневматического двигателя 200. В рассматриваемом примере поршни 230 оснащены пневматическими уплотнениями (не показаны), размещенными

- 14 031240 внутри направляющих 235 уплотнения. Альтернативно, могут быть использованы уплотнения других типов, такие как направляющее кольцо. В любом случае это может обеспечить работу пневматического двигателя 200 без необходимости наличия системы смазывания. Тем не менее, следует отметить, что могут использоваться традиционные конструкции со смазыванием поршня. Поршни 230 могут иметь вогнутые рабочие поверхности, обеспечивающие в ходе работы желаемые характеристики потока сжатого газа и приложения давления.

Каждый цилиндр 220 оснащен соответствующей головкой 240 и каждая головка 240 включает соответствующий входной клапанный узел 261 и выходной клапанный узел 262, как в общем виде показано на фиг. 2А и 2В и функционирует так, как описано в предыдущем примере.

Г оловка 240 может иметь стандартную конструкцию, так, что один и тот же компонент головки 240 может быть соединен с каждым из цилиндров 220, независимо от его положения на пневматическом двигателе 200. Следует отметить, что использование общей конструкции головки 240 для всех цилиндров 220 может быть желательным, так как это способствует уменьшению количеству уникальных деталей, требуемых для изготовления двигателя.

Головка 240 может содержать соответствующее входное отверстие 244 и выходное отверстие 246 на двух сторонах, что обеспечивает вариативность позиционирования. Например, на головках 240, насаженных на цилиндры одного из блоков цилиндра, на одной стороне головки 240 с входным отверстием 253 и выходным отверстием 254 могут быть соединены соответственно входной трубопровод и выходной трубопровод, а к другой стороне головки может быть присоединена закрывающая пластина 250 для закрытия по меньшей мере одного из отверстий 244, 246 на этой стороне.

Отверстия 244, 246 головок 240 на другом блоке цилиндров могут быть использованы противоположным образом путем соединения трубопроводов с отверстиями 253, 254 на другой стороне головки 240. В рассматриваемом примере закрывающая пластина 250 оставляет входное отверстие 244 открытым так, что сжатый воздух может подаваться в головку 240 с каждой стороны, но закрывает выходное отверстие 146 так, что выходной воздух выходит из головки 240 на одной стороне через выходной трубопровод 251 частично показанный на фиг. 2В.

Головка 240 может включать в себя различные конфигурации клапанных узлов 261, 262 для получения различных характеристик режимов открытия и закрытия клапанов. Каждая головка 240 может быть изготовлена из механически обработанного алюминия. Тем не менее, следует отметить, что могут применять и другие материалы.

Несмотря на то, что показанная в настоящем примере головка 240 выполнена из одной детали, следует понимать, что возможно изготовить головку 240 из множества деталей. Благодаря этому можно получить сложные конфигурации расположения портов, которые непросто получить путем механической обработки в одной детали. Множество частей головки 240 могут быть соединены друг с другом механически и применением подходящей технологии крепления. Между частями головки 240 может быть размещена прокладка для обеспечения хорошего уплотнения системы портов, образованными между указанными частями.

В настоящем примере цилиндр 220 и головка 240 являются отдельными компонентами, однако, в некоторых вариантах осуществления цилиндр 220 и головка 240 могут быть выполнены как единая деталь, что может быть получено путем литья или механической обработки.

Несмотря на то, что в настоящем примере для каждого цилиндра 220 предусмотрена отдельная головка 240, следует отметить, что блок, включающий в себя множество цилиндров 220, может быть оснащен единым компонентом, объединяющим множество рабочих головок 240, каждая из которых имеет вышеописанные признаки. Таким образом, можно обеспечить дополнительное снижение массы, что может быть полезным в случае крупносерийного производства двигателей 200, несмотря на потерю в этом случае преимуществ унификации, получаемых при использовании стандартизированных головок 240 на каждом цилиндре 220.

На поперечном сечении, представленном на фиг. 2Е, показаны особенности конструкции выпускных клапанов 265, расположенных в системе выпускных портов, имеющейся в головке 240. Каждый из клапанов 263, 265 поддерживается внутри головки 240 направляющей 267 клапана. Направляющие 267 клапана обеспечивают стабильную боковую поддержку клапанов 263, 265 так, чтобы они были точно расположены по отношению к портам 243, 245, допуская при этом их плавное осевое открытие и закрытые.

В настоящем примере направляющие 267 клапана являются съемными и имеют одинаковую конструкцию независимо от того, поддерживают они впускные клапаны 263 или выпускные клапаны 265.

На фиг. 2Е также можно увидеть, что входная и выходная траверсы 271, 272 перемещаются посредством входного и выходного кулачков 281, 282, которые выступают в качестве соответствующих приводов для перемещения траверс 271, 272. В частности, кулачки 281, 282 входят в контакт с одним или более приводимых в движение кулачком элементов 277, соединенных с траверсами 271, 272 и вращаются на кулачковом валу 280 в зависимости от углового положения соответствующего поршня 230. Каждый приводимый в движение кулачком элемент 277 может быть выполнен в форме цилиндрического ролика, поддерживаемого валом, прикрепленным к соответствующим траверсам 271, 272. Дополнительные све

- 15 031240 дения относительно работы клапанных узлов 261, 262 приведены ниже.

Дополнительные особенности конструкции кулачкового вала 280 и установленных на нем кулачков 281, 282 показаны на фиг. 13. В настоящем примере входной кулачок 281 имеет такую конструкцию рабочего выступа, которая обеспечивает открытие впускного клапана 263 приблизительно при 156° посредством подъема входной траверсы 271. Следует отметить, что это продолжается на протяжении большей части хода поршня и поршень 130 исключительно длительное время находится под воздействием сжатого газа по сравнению с традиционными конструкциями двигателей. Конфигурация рабочего выступа выходного кулачка 282 такова, что обеспечивает закрытие выпускного клапана 265 при 170° путем подъема выходной траверсы 272. Рабочие выступы входного кулачка 281 и выходного кулачка 282 выступают обычно на одной и той же стороне коленчатого вала, что приводит к тому, что выпускные клапаны 265 закрыты, тогда как впускные клапаны 263 открыты, чтобы избежать выхода сжатого газа во время рабочих ходов.

На фиг. 2С показан пневматический двигатель 200 с множеством крышек. Указанные крышки могут применяться для защиты внутренних компонентов пневматического двигателя 200 от внешней окружающей среды и/или защиты операторов от контакта с внутренними компонентами.

Для закрытия цилиндров 220 могут быть предусмотрены крышки 205 с тем, чтобы получить желаемые тепловые характеристики и/или защитный барьер вокруг цилиндра 220 и расположенного внутри поршня. Для закрытия рабочих компонентов входного и выходного клапанных узлов 261, 262 могут быть предусмотрены крышки 206 головки с тем, чтобы уменьшить опасность, которая может возникнуть в случае непреднамеренного контакта с движущимися частями и/или уменьшить вероятность падения деталей с пневматического двигателя 200 в случае механической неисправности. Также может быть предусмотрена крышка 207 зубчатого шкива для предотвращения защемления или выпадения зубчатого ремня, применяемого для соединения коленчатого вала 210 с кулачковыми валами 280 в случае возникновения неисправности.

Между блоками цилиндров 220 может располагаться плоская крышка 208, которая может защищать трубопровод (не показан) для подачи сжатого воздуха во входные отверстия 244 или удаления выходного воздуха из выходных отверстий 246 головки 240. В этом случае крышка 208 имеет вырезы 209 для прохода входного трубопровода от входных отверстий 244.

На фиг. 3A-3D показаны различные виды отдельной головки 140 и соответствующих клапанных узлов 261, 262 пневматического двигателя 200.

Входной клапанный узел 261 включает в себя два впускных клапана 263, соединенных с входной траверсой 271, тогда как выходной клапанный узел 262 включает в себя четыре выпускных клапана 265, соединенных с одной выходной траверсой 272, что является примером варианта, в котором предусмотрена группа клапанов, содержащая более двух клапанов 265. Каждый клапан 263, 265 поддерживается в головке 240 направляющей 267 клапана, положение которой зафиксировано относительно головки 240 с использованием резьбовой крепежной системы с буртиком, посредством которой затем к направляющим 267 клапана прикреплены пластины 278 крепления шпилек. Клапаны 263, 265 могут скользить через отверстия, продольно проходящие в направляющих 267 клапанов так, что возможно только линейное перемещение клапанов 263, 265, зависящее от перемещения траверс 271, 272. Тем не менее, следует отметить, что такое линейное перемещение клапанов 263, 265 хоть и является желательным, но не является существенным и могут быть предусмотрены альтернативные конструкции с нелинейным перемещением клапанов 263, 265.

Каждая траверса 271, 272 поддерживается шпильками 273, отходящими от пластин 278 крепления шпилек, соединенных с верхней поверхностью головки 240. Траверсы 271, 272 соединены со шпильками 273 так, что траверсы 271, 272 могут перемещаться в направлении, соответствующем продольным осям шпилек 273, и в рассматриваемом случае направление указанного перемещения также соответствует направлению возвратно-поступательного движения соответствующего поршня 230. Каждая шпилька 273 содержит стопор 275 для смещающего элемента, предназначенного для смещения траверс 271, 272 в направлении головки 240. В рассматриваемом примере на каждой шпильке 273 имеются пружины 274, служащие в качестве смещающих элементов. Однако, следует отметить, что в некоторых вариантах, смещающий элемент может даже не потребоваться, например, если траверсы 272, 272 перемещаются приводом в обоих направлениях для открытия и закрытия соответствующих клапанов 263, 265. Тем не менее, в этом случае пружины 274 могут все равно применяться с целью амортизации операции закрытия и уменьшения износа.

Перемещение каждой траверсы 271, 272 происходит под действием кулачков 281, 282, установленных на кулачковом валу 280. На одном конце кулачкового вала 280 размещен шкив 283 зубчатого ремня, при этом зубчатый ремень (не показан) соединяет шкив 283 зубчатого ремня кулачкового вала со шкивом 214 зубчатого ремня коленчатого вала, установленного на конце коленчатого вала 210. Как показано на фиг. 2В, картер 201 имеет гнездо 203, обеспечивающее возможность прохождения зубчатого ремня (не показан) между шкивом 283 кулачкового вала и одним из шкивов 214 коленчатого вала, размещенным внутри картера 201.

В рассматриваемом примере соответствующие шкивы 283, 214 имеют согласующиеся размеры и

- 16 031240 количество зубьев зубчатых колес так, чтобы обеспечить зависимость по синхронизации 1:1, при которой один полный оборот коленчатого вала 210 вызывает один полный оборот кулачкового вала 280. Таким образом, получают двухтактный режим работы клапана, подходящий для работы пневматического двигателя 200. Следует отметить, что для четырехтактного режима работы могут использовать зависимость по синхронизации 2:1, что может быть желательно в случае двигателей внутреннего сгорания.

Как показано на фиг. 3C, профили кулачков 281, 282 могут быть такими, чтобы периодически поднимать соответствующие траверсы 271, 272 при вращении кулачкового вала 280, а на траверсах 271 могут быть предусмотрены один или более приводимых в движение кулачком элементов 277 для обеспечения плавного перемещения траверс 271, 272 в зависимости от профилей вращающихся кулачков. Следует отметить, что траверсы 271, 272 поднимаются в поднятое положение непосредственно рабочими выступами, имеющимися в кулачках 281, 282, тогда как в противном случае, действие пружин 274 будет смещать траверсы 271, 272 в направлении опущенного положения и обеспечивать контакт кулачков 271, 272 с соответствующими приводимыми в движение кулачками элементами.

Пружины 274, предусмотренные для каждой траверсы 271, 272 могут иметь разную жесткость, в зависимости от желаемого функционирования соответствующей траверсы. Например, пружины 274, используемые со входной траверсой 271, могут иметь относительно малую жесткость, поскольку впускные клапаны 263 выполнены так, что сжатый газ во входной камере 247 стремится удерживать впускные клапаны 263 в закрытом положении до тех пор, пока они не будут принудительно открыты входной траверсой 271.

Как упомянуто выше, обратное действие впускных клапанов 263 может быть более подходящим для применения в вариантах осуществления с пневматическими двигателями. В настоящем примере управление открытием впускных клапанов 263 осуществляется путем принудительной передачи движения через движение вверх входной траверсы 271 под действием входного привода 281, а закрытие впускных клапанов 263 осуществляется пружинами. Пружины 274 могут иметь относительно малую жесткость, поскольку сжатый газ способствует удержанию впускных клапанов 263 в закрытом положении.

Конкретное значение жесткости пружин 274 входной траверсы 271 выбирают с учетом площади поверхности впускных клапанов 263, к которой в закрытом состоянии приложена нагрузка давления, так, что приложено соответствующее требуемое закрывающее усилие, но так, чтобы избежать при этом необходимости прикладывать к входной траверсе 271 избыточное усилие для открытия впускных клапанов 263. Благодаря этому удается получить высокую чувствительность впускных клапанов 263 в ходе работы. Напротив, пружины 274, применяемые с выходной траверсой 272 должны иметь натяжение, рассчитанное так, чтобы прикладывать усилие немного большее, чем усилие, прикладываемое к поверхностям выпускного клапана 265 внутри камеры 221, когда выпускные клапаны 265 не переводятся принудительно в закрытое положение выходной траверсой 272.

В любом случае подходящий выбор пружин 274 для каждой траверсы 271, 272 с учетом прикладываемых давлений газа в ходе работы может способствовать желаемому быстрому открытию и закрытию клапана. Кроме того, правильный выбор пружины 274 в совокупности с конкретной конструкцией клапанов 263, 265 и соответствующих портов 243, 245 способствует устранению многих проблем традиционных клапанов, таких как вибрация клапана (износ) и подъем клапана, а также может обеспечить амортизацию закрывающего действия выпускного клапана 265 и уменьшить требования к открывающему усилию для впускного клапана 263.

В альтернативной конструкции впускные клапаны 263 могут иметь конструкцию, аналогичную выпускным клапанам 265 так, что они имеют в целом затвор традиционного тарельчатого клапана, который смещается в камере 221 в направлении вниз (т.е. в направлении поршня 230) при его открытии и закрывается посредством перемещения в направлении вверх (т.е. от поршня 230). Функционирование выполненных таким образом впускных клапанов 263 подразумевает принудительное закрытие впускных клапанов 263, когда входной привод 281 (т.е. кулачок или подобное устройство) перемещает входную траверсу 271 вверх от головки как в случае выпускных клапанов 265.

Такое принудительное закрытие в вышеописанной альтернативной конструкции впускного клапана 263 предотвращает непреднамеренное открытие впускных клапанов 263 вследствие подачи сжатого газа. В данном случае впускные клапаны 263 могут быть открыты под действием смещающего элемента (т.е. пружины) и этому открывающему действию способствует подача сжатого газа. В некоторых случаях, даже не требуется действие смещающего элемента и открытие может полностью происходить под действием сжатого газа, при этом пружина все еще может быть предусмотрена для обеспечения амортизирующего эффекта во время закрытия и для того, чтобы способствовать операции открытия с целью повышения чувствительности.

Следует отметить, что, несмотря на применение в выпускных клапанах 265 и в альтернативной конструкции впускного клапана 263 в целом традиционной конструкции затвора тарельчатого клапана, упомянутой выше, вследствие применения траверсы 271 конкретный режим открытия и закрытия все равно является обратным по сравнению с реализацией тарельчатого клапана в традиционном двигателе внутреннего сгорания, в котором осуществляется принудительное открытие клапана, а закрытие клапана зависит от натяжения пружины. Таким образом, работа клапана в двигателе 200 меньше зависит от пру

- 17 031240 жин, чем в традиционных двигателях.

В любом случае, следует отметить, что пружины 274 могут быть полностью размещены вне головки и таким образом не будут подвержены воздействию воздушного потока или температурным флуктуациям в ходе работы пневматического двигателя 200. Кроме того, наружное размещение пружин 274 в данном примере не ограничивает поток воздуха через головку 240.

Следует заметить, что перемещения клапанов 263, 265 при открытии и закрытии в пневматическом двигателе 200 могут быть согласованы с направлением возвратно-поступательного перемещения поршня 230. Хотя это не является существенным, но позволяет получить механически более простую конструкцию по сравнению со многими традиционными конструкциями двигателей, в которых клапаны действуют под значительными углами по отношению к возвратно-поступательному движению поршня. Например, входная и выходная траверсы 271, 272, управляющие работой всех клапанов 263, 265 могут перемещаться с применением кулачков 281, 282, расположенных на одном и том же кулачковом валу 280. Напротив, традиционные клапанные узлы, расположенные под углом, обычно требуют наличия отдельного кулачкового вала для клапанов на каждой стороне цилиндра с отдельными кулачками для каждого клапана. Тем не менее, следует отметить, что в альтернативных вариантах осуществления предложенного двигателя могут применять отдельные кулачковые валы для приведения в действия каждой траверсы 271, 272.

Кроме того, линейное приведение в действие клапанов 263, 265 по отношению как к рабочей поверхности поршня 230, так и по отношению к траверсам 271, 272 и соответствующим приводам 281, 282 позволяет получить более высокую энергетическую эффективность путем приложения прямого усилия (в противоположность усилию, направленному под углом), а также обеспечить улучшенные характеристики износостойкости.

Снова обратившись к фиг. 2А, можно увидеть, что кулачковый вал 280 может поддерживаться подшипниками 284 кулачкового вала, установленными на головке 240. Подшипники 284 кулачкового вала могут быть выполнены так, чтобы обеспечить регулирование относительного расположения кулачкового вала 280 над головкой 240 так, чтобы имелась возможность применять конструкции кулачков 281, 282 с рабочими выступами разных размеров, что, в свою очередь, позволяет обеспечить различные характеристики открытия клапанов 263, 265. В настоящем примере используется один кулачковый вал 280 для двух цилиндров, расположенный поперек блока цилиндров пневматического двигателя 200. Такая конструкция позволяет использовать один шкив 283 зубчатого ремня для каждого блока цилиндров. Однако, следует отметить, что для каждого цилиндра могут быть использованы отдельные кулачковые валы.

Режимы работы клапанов могут быть отрегулированы в отношении времени открытия и закрытия клапанов 263, 265 путем вращения кулачкового вала 280 относительно положения коленчатого вала 210. Возможно также осуществить работу пневматического двигателя 200 в обратном направлении путем вращения кулачкового вала на 180° относительно коленчатого вала 210.

На фиг. 3D показаны дополнительные особенности конструкции нижней стороны головки 240, сопрягаемой с цилиндром 220. Предусмотрена крышка 249 цилиндра, соединяемая с цилиндром для закрытия камеры 221. Внутри крышки 249 цилиндра образованы порты 243, 245. Следует заметить, что в данном случае два входных порта 243 имеют существенно меньший диаметр по сравнению с четырьмя выходными портами 245.

Такие различия в диаметре и количестве портов для входной группы 241 портов, по сравнению с выходной группой 242 портов позволяют получить существенно больший объемный расход выпускного газа, подлежащего удалению из камеры 121 по сравнению с расходом сжатого газ, входящего в камеру 121. Это можно объяснить расширением сжатого газа во время рабочих тактов пневматического двигателя 200, так что общие массы газа, входящего в камеру 121 и выходящего из нее будут приблизительно равными. Таким образом, может быть увеличена производительность за счет выпуска через выходные порты 245 большего объема или большее количество выходных портов 245 по сравнению с входными портами 243.

На фиг. 3E показан вид, аналогичный виду с фиг. 3D, но со скрытой головкой 240 для иллюстрации дополнительных подробностей конструкции опор 267 клапанов и клапанов 263, 265.

Следует заметить, что общая конструкция головки 240, клапанов 163, 265 и их соответствующих траверс 271, 272 такова, что для осуществления максимального открытия и закрытия требуется минимальное перемещение клапанов 263, 265. Благодаря этому можно применять кулачки 281, 282, имеющие менее острые рабочие выступы кулачков, что может обеспечить преимущества, состоящие в более плавной работе и уменьшении износа.

Дополнительные конструкционные особенности головки 240 показаны на фиг. 6А-6С. В рассматриваемом примере головка 240 изготовлена из цельного блока алюминия путем высверливания и других операций механической обработки. Входные отверстия 244 и входная камера 248, образованная между ними, могут быть изготовлены путем просверливания канала по ширине головки 240, выходные отверстия 246 и выходная камера 249 могут быть изготовлены аналогичным образом.

От верхней поверхности головки 240 могут быть высверлены направляющие отверстия 601, а вы

- 18 031240 ходные отверстия 604 могут быть образованы путем продолжения сверления по глубине головки 240 для формирования портов 245. На нижней стороне головки 240 путем машинной обработки может быть выполнена кромка выходного порта 245 для того, чтобы сформировать седло 605 выпускного клапана. Для формирования входных портов 243 входные отверстия 604 не проходят по всей протяженности головки 240 с тем же диаметром, но заканчиваются недалеко от нижней части головки, оставляя узкое кольцо материала с тем, чтобы сформировать седла 603 клапанов для обеспечения закрытия входных клапанов 263.

Несмотря на то, что в рассматриваемом примере показана головка 240, состоящая из одной части, следует отметить, что путем применения конструкции из нескольких частей может быть получена более сложная внутренняя геометрия, как обсуждалось выше.

Следует заметить, что головка 240 имеет симметричную геометрическую форму, что облегчает ее применение в качестве стандартной детали, независимо от конфигурации цилиндра. Кроме того, ее конструкция предусматривает применения клапанов 263, 265 различных типов или различных рабочих режимов, обеспечивая повышенную эксплуатационную гибкость.

На фиг. 7А и 7В подробно показано устройство входной траверсы 271. Входная траверса 271 образована единым корпусом 701 входной траверсы. Отверстия 702 впускного клапана позволяют присоединять к траверсе впускные клапаны 263, тогда как опорные отверстия 703 предназначены для обеспечения поддержки входной траверсы 271 на шпильках 273, как показано на фиг. 3A-3D. Опорные отверстия 703 имеют увеличенный диаметр на большей части их длины для вмещения смещающих пружин 274.

Входная траверса 271 также имеет вырез 704 для приводимого в движение кулачком элемента для удержания приводимого в движение кулачком элемента 277, который обычно устанавливается на валу, устанавливаемом в отверстиях 276 приводимого в движение кулачком элемента, имеющихся на каждой стороне выреза 704.

Обратившись к фиг. 8А и 8В, подробно иллюстрирующим конструкцию выходной траверсы 272, следует отметить, что выходная траверса 272 имеет в целом конструкцию, аналогичную конструкции входной траверсы, но адаптированную таким образом, чтобы вмещать 4 выпускных клапана 265. Соответственно, выходная траверса 272 имеет четыре отверстия 802 выпускного клапана, разнесенных симметрично вокруг центральной плоскости, проходящей через ее отверстия 276 приводимого в движение кулачком элемента. В рассматриваемом случае имеются два выреза приводимого в движение кулачком элемента для удержания двух приводимых в движение кулачком элементов 277 такой же конструкции, как и в случае входной траверсы 272. Опорные отверстия 803 также аналогичны отверстиям, имеющимся во входной траверсе 272, что способствует минимизации требуемых уникальных деталей.

Как показано на фиг. 9А и 9В, впускные клапаны 263 содержат шток 901 клапана, проходящий через соответствующее отверстие 702 впускного клапана на входной траверсе 271. Впускные клапаны 263 могут быть соединены с входной траверсой 271 с использованием любой известной технологии и, предпочтительно, чтобы такое соединение было регулируемым, например, посредством применения резьбовых участков и гаек или других подходящих крепежный средств, чтобы обеспечить точную регулировку операций открытия и закрытия впускного клапана 263.

Как упомянуто выше, в рассматриваемом примере впускные клапаны 263 имеют обратный принцип работы по сравнению с традиционными тарельчатыми клапанами, что может при их закрытии обеспечить улучшенную герметизацию в отношении сжатого газа. Впускной клапан 263 содержит запирающий элемент 902 впускного клапана, который на своей нижней стороне определяет затвор 264 впускного клапана и окружен скошенной частью 903 соединения с седлом, выполненной с возможностью входить в контакт с седлом 603 впускного клапана внутри головки 240.

Выпускной клапан 265, имеющий более традиционную конструкцию, показан более подробно на фиг. 10А и 10В. Выпускной клапан 265 содержит шток 1001 выпускного клапана, проходящий от запирающего элемента 1002 выпускного клапана, на нижней части которого образовано затвор 264 выпускного клапана, но в данном случае часть 1003 соединения с седлом выпускного клапана образована на противоположной верхней стороне запирающего элемента 1002 выпускного клапана. Таким образом, соединительная часть 1003 седла выпускного клапана входит в контакт с седлом 605 выпускного клапана, образованного на нижней части головки 240. Когда выпускной клапан поднят посредством выходной траверсы 272.

На фиг. 11А и 11В подробно показана направляющая 267 клапана, применяемая для поддержки и направления каждого клапана 263, 265 в ходе работы. Корпус 1101 направляющей 267 клапана имеет центральное направляющее отверстие 1102, через которое в ходе работы может линейно перемещаться шток 901, 1001 поддерживаемого клапана 263, 265. Для размещения направляющей 267 клапана в соответствующих направляющих отверстиях 601 используются направляющие фланцы 1103, которые могут иметь кромки для размещения направляющей 267 клапана во входном и выходном отверстиях 602, 604, выполненных в головке 240.

Следует понимать, что несмотря на то, что в рассматриваемой конструкции клапанные узлы 261, 262 включают в себя отдельные компоненты в виде траверс 271, 272 и клапанов 263, 265, в некоторых вариантах осуществления эти и другие элементы рассмотренных выше клапанных узлов 261, 262 могут

- 19 031240 быть выполнены за одно целое.

Как упомянуто выше, конфигурация V4 пневматического двигателя 200 предусматривает, что возвратно-поступательные перемещения каждого из четырех поршней 230 смещены относительно друг друга на 90°. Смещенные положения четырех поршней 230 при положении коленчатого вала 210, показанном на фиг. 2D, наряду с внутренними положениями клапанов 263, 265 показаны на фиг. 4А-4Н.

Фиг. 4А и 4В иллюстрируют соответственно вид сбоку и вид спереди первого поршня 230, который достиг положения верхней мертвой точки. Выходной кулачок 282 поднимает выходную траверсу 272, что вынуждает выпускные клапаны 265 жестко удерживаться в закрытом положении. С другой стороны, входной кулачок 281 не поднимает входную траверсу 271, но пружины 274 помогают обеспечить смещение входных клапанов 263 вниз в закрытое положение.

Следует также отметить, что когда поршень 230 находится близко к положению верхней мертвой точки, в камере 221 практически нет неиспользуемого объема. Это возможно потому, что впускные клапаны 263 открываются в головку 240 в начале рабочего хода и, таким образом, отсутствует риск препятствия работе поршня 230. Напротив, традиционные клапаны, которые открываются в камеру 121 могут мешать работе поршня, в том случае, если сверху поршня 230 в положении верхней мертвой точки не предусмотрено необходимого объема или поверхность поршня не имеет углублений для того, чтобы предотвратить контакт с клапанами, если они открываются в положении верхней мертвой точки или около него. В результате, отсутствует бесполезный рабочий ход или его длина является минимальной по отношению к цилиндру, что позволяет почти мгновенно подавать полностью сжатый газ на поверхность поршня 230, сразу после открытия впускных клапанов 263.

На фиг. 4С и 4D показан второй поршень 230, который смещен на 90°относительно первого поршня 230, показанного на фиг. 4А и 4В. Второй поршень 230 в данном случае осуществляет рабочий ход. Выпускные клапаны 265 остаются закрытыми, благодаря тому, что выходная траверса 272 поднята выходным кулачком 282, а впускные клапаны 263 также открыты для второго поршня, благодаря тому, что входная траверса 271 поднята посредством входного кулачка 281.

На фиг. 4Е и 4F показан третий поршень 230, смещенный от вышеупомянутого второго поршня 230 еще на 90°, так что третий поршень 230 достигает положения нижней мертвой точки и конца своего рабочего хода. Впускные клапаны 263 сейчас закрыты путем смещающего действия пружин 274, оказываемого на входную траверсу 271. Пружины 274 также сместили выходную траверсу 272 в опущенное положение, чтобы вызвать, таким образом, открытие выпускных клапанов 265 в камеру 121. Таким образом, выпускные клапаны 265 готовы к тому, чтобы обеспечить выход выхлопного газа из камеры в 121 во время обратного хода.

На фиг. 4G и 4Н показан четвертый поршень 230, смещенный еще на 90° относительно третьего поршня 230 и, в данном случае, примерно на 270° после положения верхней мертвой точки. Как и на фиг. 4Е и 4F, выпускные клапаны 265 открыты для того, чтобы обеспечить выпуск выхлопного газа, тогда как впускные клапаны 263 остаются смещенными в закрытое положение.

Полная относительная синхронизация открытия и закрытия клапанов для каждого из поршней, показанных на фиг. 4А-4Н, лучше понятна из сравнения соответствующих диаграмм режимов открытия и закрытия клапанов, показанных на фиг. 5A-5D. Эти режимов открытия и закрытия клапанов соответственно показывают, когда впускные клапаны 263 и выпускные клапаны 265 открыты относительно абсолютного угла поворота коленчатого вала, который равен 0°, когда первый поршень находится в положении верхней мертвой точки.

Как можно видеть на фиг. 5А, где положение первого поршня соответствует непосредственно абсолютному углу поворота коленчатого вала, впускные клапаны 263 открыты от верхней мертвой точки до примерно положения 156° после верхней мертвой точки, после которой впускные клапаны 263 закрываются, а выпускные клапаны 265 открываются в положении примерно 165° после верхней мертвой точки. Выпускные клапаны остаются открытыми на протяжении оставшейся части хода до достижения положения 355° после верхней мертвой точки.

На фиг. 5B-5D показаны аналогичные циклы открытия и закрытия для второго, третьего и четвертого поршня 230 соответственно, но каждый смещен на 90°, поскольку диаграммы режимов открытия и закрытия клапанов относятся к абсолютным углам поворота коленчатого вала, а не к локальным положениям поршней 230. Это позволяет визуализировать пересечение периодов, в которые впускные клапаны 263 открыты и сжатый газ активно приводит в действие соответствующий поршень 230. Следует отметить, что при любом абсолютном угле поворота коленчатого вала будет по меньшей мере один поршень 230 с открытыми впускными клапанами 263 и при большинстве углов поворота коленчатого вала будут фактически два поршня 230 с открытыми впускными клапанами 263.

Благодаря этому обеспечивается легкий самозапуск пневматического двигателя 200 путем простой подачи сжатого газа на входные отверстия головки 240 без каких-либо специальный процедур запуска, поскольку сжатый газ всегда может начать приведение в действие по меньшей мере одного поршня 230 в направлении рабочего хода.

Следует заметить, что пневматический двигатель 200 может быть приведен в действие путем подачи сжатого газа во входные отверстия 244 головок 240, обычно с помощью трубопровода. Выпускаемым

- 20 031240 продуктом будет расширенный воздух, который может быть удален из выходных отверстий 246 головки 240 обычно с помощью отдельного выходного трубопровода. Обычно, выпускаемый воздух имеет атмосферное давление или близкое к атмосферному и может иметь значительно меньшую температуру, чем окружающая среда за счет его быстрого расширения в пневматическом двигателе 200.

В энергетической системе может использоваться пневматический двигатель 200, соединенный с подходящим источником сжатого газа. В соответствии с одним вариантом пневматический двигатель 200 может снабжаться сжатым воздухом, хранящимся в подходящем резервуаре высокого давления. Потоком сжатого воздуха в пневматический двигатель можно управлять так, чтобы варьировать рабочую скорость и мощность, развиваемую пневматическим двигателем 200. В другом варианте энергетическая установка может содержать воздушный компрессор, генерирующий сжатый воздух, который может быть сохранен или подан напрямую в пневматический двигатель, в зависимости от требований. В случае необходимости может быть осуществлено сохранение сжатого воздуха с использованием резервуаров хранения высокого давления, так что сжатый воздух может подаваться в пневматический двигатель по требованию. Это также обеспечивает возможность дополнительно управлять давлением подачи и расходом сжатого воздуха в пневматический двигатель 200, и, тем самым управлять выходной мощностью согласно имеющимся требованиям.

Предпочтительно питание воздушного компрессора осуществляется путем легко доступного источника питания, а пневматический двигатель 200 может использовать сжатый воздух, чтобы поставлять полезный крутящий момент другим устройствам. Источник питания для питания воздушного компрессора может включать в себя возобновляемые источники питания, такие как фотоэлементы. Альтернативно, воздушный компрессор может питаться от традиционных двигателей или посредством электрической энергии, подаваемой по электросети или сохраняемой в батареях.

Для преобразования крутящего момента, развиваемого с применением источника сжатого газа, в электрическую энергию, с коленчатым валом 210 пневматического двигателя может быть соединен электрический генератор. Благодаря этому пневматический двигатель 200 может применяться в удаленных регионах, где электрическая энергия или химическое топливо не доступны, но имеется возможность доставлять сжатый газ или сжимать газ на месте с использованием воздушного компрессора. Следует также отметить, что энергия, генерируемая пневматическим двигателем 200, может быть сохранена для дальнейшего использования например, путем, применения электрического генератора, поставляющего электроэнергию в батарею для ее сохранения.

Как упомянуто выше, расширенный газ, выходящий из пневматического двигателя 200 в виде выходного потока, может быть значительно холоднее окружающего наружного воздуха. Этот охлажденный выпускной поток может быть также использован для других целей охлаждения, таких как кондиционирование воздуха или охлаждение теплоизлучающего оборудования.

В соответствии с одним примером, охлажденный поток, выпускаемый из пневматического двигателя 200, может быть использован для охлаждения дизельного генератора, например в области горного дела. Воздушный компрессор может питаться дизельным топливом и производимый им сжатый воздух может быть использован для работы пневматического двигателя 200, который в свою очередь соединен с электрическим генератором, чтобы дополнять электрическую энергию, производимую дизельным генератором. Охлажденный выпускаемый воздух, выходящий из пневматического двигателя 200, может затем поступать в систему охлаждения для охлаждения дизельного генератора.

В другом примере пневматический двигатель 200 может быть использован в энергетической системе транспортного средства, например в грузовом автомобиле-тягаче для длительных перевозок. Энергетическая система транспортного средства может включать в себя двигатель внутреннего сгорания, приводящий в действие компрессор для производства сжатого воздуха, который может быть сохранен или подан непосредственно в пневматический двигатель 200. В соответствии с одним примером энергетической системы грузового автомобиля энергия в воздушный компрессор может поступать от дизельного двигателя, который может работать постоянно с максимальной эффективностью и иметь значительно меньшую мощность, чем это потребовалось бы в ином случае для приведения в действие самого грузового автомобиля. Тем не менее, пневматический двигатель 200 может иметь такой размер, чтобы подавать достаточную мощность для приведения в действие грузового автомобиля с использованием сжатого газа. Энергетический выигрыш может быть получен благодаря эффективной работе дизельного компрессора, по сравнению с альтернативным запуском дизельного двигателя для приведения в действие самого грузового автомобиля. Следует отметить, что в другом случае могут применяться двигатели внутреннего сгорания, а не дизельные двигатели.

Вышеописанная энергетическая система транспортного средства может использовать охлажденный выпускаемый воздух, выходящий из пневматического двигателя 200, для охлаждения двигателя внутреннего сгорания в ходе его работы. Следует отметить, что это может дополнительно улучшить эффективность энергетической системы транспортного средства и обеспечить защиту от перегрева, в частности в экстремальных условиях окружающей среды и/или при интенсивной эксплуатации транспортного средства.

Такая энергетическая система транспортного средства может также может включать в себя средства

- 21 031240 хранения сжатого воздуха, поставляемого воздушным компрессором, которые могут по требованию обеспечивать подачу сжатого воздуха в пневматический двигатель 200. В соответствии с некоторыми примерами сохраненный сжатый воздух может подаваться с большими значениями расхода, чем, в противном случае, он мог быть поступать от воздушного компрессора, позволяя, таким образом, при необходимости, увеличивать мощность, выдаваемую пневматическим двигателем 200. Избыточный сжатый воздух, не востребованный пневматическим двигателем 200 во время периодов, когда требуется более низкая мощность, например, во время снижения или торможения транспортного средства, может быть сохранен для дальнейшего использования.

Следует отметить, что указанная конструкция в чем-то схожа с системами, применяемыми в карьерных самосвалах, в которых питаемые дизельным топливом электрические генераторы генерируют электричество, используемое в электродвигателях для приведения в движение самосвалов. Такая конструкция может устранить необходимость использования дорогостоящих систем батарей и высокоточной электропроводки, заменяя их простой механической системой. Следует также отметить, что аналогичные конструкции транспортных энергетических систем могут применяться для транспортных средств других типов, включая лодки, танки, вертолеты, экскаваторы и им подобные. Аналогичные конструкции могут также использоваться в стационарном оборудовании, в котором, тем не менее, требуется вращательная энергия, например, в сверлильном оборудовании.

Ввиду вышеизложенного, следует заметить, что системы, использующие пневматический двигатель 200 могут обеспечивать эффективную генерацию энергии в обстоятельствах, для которых не очень хорошо подходят традиционные технологии. Как было отмечено, большие объемы сжатого воздуха могут быть удобным образом сохранены для использования при необходимости пневматическим двигателем 200, а новые запасы сжатого воздуха могут постоянно производиться с применением возобновляемых источников. Напротив, хранить большие количества электрической энергии в батареях обычно не целесообразно.

Вышеописанные признаки двигателя возвратно-поступательного действия позволяют получить исключительно эффективный способ использования кинетической энергии сжатого газа. Вышеописанные предпочтительные варианты объединяют признаки, благодаря которым значительно уменьшается расход впустую энергии, заключенной в сжатом газе, так, чтобы осуществлять подачу энергии с не имеющим себе равных уровнем эффективности.

Такая эффективность может быть получена за счет уникальной конфигурации механически управляемых клапанов и головки, как подробно описано выше. Такая конфигурация клапана и головки обеспечивает длинный ход (до 180 градусов при работе в двухтактовой конфигурации), быструю и точную воспроизводимость, управление и эффективность включения потока и передачи газа. Благодаря этому удается получить значительно больший выход мощности и крутящего момента для подводимой энергии (по сравнению с другими аналогами конструкций двигателя возвратно-поступательного действия).

Следует отметить, что конструкция клапанных узлов, включающая применение траверсы, как описано выше, позволяет получить двигатель, в котором источнику питания требуется преодолевать пониженное внутреннее сопротивление, что может привести к более эффективной работе. Двигатель может быть изготовлен так, чтобы по своей природе иметь малую инерцию вращения, позволяя получить относительно легкий поворот двигателя, независимо от того, открыты ли клапаны, без необходимости сжимать воздух в цилиндре. Для этого имеется несколько причин, некоторые из которых изложены ниже, хотя, следует понимать, что нижеприведенный список не является исчерпывающим.

Во-первых, следует отметить, что такая конструкция клапанного узла позволяет клапанам работать без необходимости использования пружин с большим натяжением для возврата клапанов в их исходное состояние. Соответственно, для вращения двигателя не нужно преодолевать сопротивление сильно натянутых пружин, что означает меньшие затраты энергии на работу клапанной системы, и больше полезной мощности доступной для коленчатого вала. В качестве противоположного примера можно привести высокомощные двигатели, например, устанавливаемые в тягачах, имеющие пружины с очень сильным натяжением для того, чтобы закрывать клапаны как можно быстрее.

Применение вышеописанных клапанных узлов может устранить необходимость в таких пружинных конструкциях. Единственным усилием, требуемым от смещающих элементов, таких как пружины, является усилие, необходимое для преодоления силы, прикладываемой давлением внутренней камеры к рабочей поверхности клапана. Таким образом, все, что строго необходимо, это смещающий элемент, имеющий натяжение всего лишь немногим большее, чем сила, действующая на рабочую поверхность клапана. Фактически, в случае впускных клапанов пневматического двигателя, смещающие элементы могут даже не потребоваться, при условии, что наибольшее давление обычно имеет место на противоположной стороне клапана, хотя пружина может быть, тем не менее, использована для амортизации или для того, чтобы способствовать быстрому отклику клапанов.

Кроме того, следует отметить, что клапанный узел может работать с относительно малыми перемещениями клапана и, благодаря этому, в случае выполнения приводов в форме кулачков можно применять кулачки, имеющие меньшие размеры, чем в традиционных клапанных конструкциях, в которых клапаны управляются кулачками. Это ведет к уменьшению контактной скорости кулачка, требуемой на

- 22 031240 один оборот, может уменьшить износ, а также благоприятно для уравновешивания кулачкового вала за счет уменьшения массы и амплитуды каждого рабочего выступа кулачка.

Благодаря линейному приведению в действие клапанов в компактной конфигурации, конструкция двигателя также обеспечивает значительные усовершенствования по сравнению с традиционными конструкциями тарельчатых клапанов, расположенных под углом и, в частности, с традиционными системами с коромыслом, за счет устранения механического недостатка углового перемещения и больших длин хода, для преодоления которых двигателю требуется больше мощности. Варианты осуществления клапанного узла, в которых в качестве приводов применяются кулачки, имеют преимущество, состоящее в том, что рабочие выступы кулачков воздействуют непосредственно на приводимый в движение кулачком элемент для эффективного и принудительного перемещения траверсы, соединенной с клапанами. Таким образом, система траверс устраняет указанный механический недостаток, поскольку она имеет более благоприятный коэффициент рычага. Следует также отметить, что варианты осуществления двигателя могут также обеспечить повышенную механическую эффективность за счет уменьшения собственного ограничения двигателя благодаря благоприятному механическому преимуществу в соединении между коленчатым валом и кулачковым валом. В предпочтительных вариантах осуществления диаметр шкива для зубчатого ремня коленчатого вала составляет до двух диаметров кулачков в наивысшей точке рабочего выступа.

Как упомянуто выше, аспекты вышеописанных конструкций двигателя возвратно-поступательного действия могут находить применение в двигателях внутреннего сгорания. Например, клапанные узлы, включающие в себя траверсы для управления работой множества клапанов в компактной и механически упрощенной конфигурации, могут также быть полезны в двигателях внутреннего сгорания. Следует понимать, что вышеприведенные примеры могут быть адаптированы для применения в двигателях внутреннего сгорания, например, путем изменения синхронизации кулачкового вала относительно коленчатого вала для обеспечения четырехтактовой работы и путем изменения конфигурации впускных клапанов аналогично выпускным клапанам.

Пример варианта осуществления двигателя 1400 внутреннего сгорания показан на фиг. 14A-14D. Следует заметить, что этот пример аналогичен примеру, описанному со ссылкой на фиг. 1А-1Р и, таким образом, аналогичные элементы обозначены такими же номерами позиций.

В соответствии с рассматриваемым примером, двигатель 1400 внутреннего сгорания в общем включает в себя коленчатый вал 110 (не показан), цилиндр 120, определяющий внутреннюю камеру 121, поршень 130, расположенный в камере, причем поршень 130 соединен с коленчатым валом 110 и выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в камере 121.

Двигатель внутреннего сгорания также содержит головку 140, хотя в данном случае головка 140 может иметь другие конструкционные особенности по сравнению с теми, которые были описаны в предыдущих примерах для того, чтобы включать в себя источник зажигания, такой как свеча зажигания, как показано на фиг. 14B-14D или источник зажигания 1410 любого другого известного типа. Следует отметить, что источник 1410 зажигания не является существенным в случае дизельного двигателя, при этом головка 140 может также иметь другие особенности, зависящие от типа двигателя. Например, в случае дизельного двигателя головка 140 может быть выполнена так, что она включает в себя свечу накаливания, инжектор топлива или им подобный элемент.

Как и предыдущих примерах, головка 140 соединена с цилиндром 120 и закрывает камеру 121 на конце, противоположном поршню 130, при этом головка 140 содержит группу 141, 142 портов, включающую в себя два или более портов 143, 145 для осуществления передачи текучей среды между камерой 121 и соответствующим трубопроводом. В данном случае входная группа 141 портов содержит два входных порта 143, а выходная группа 142 портов содержит два выходных пора 145. Для каждой группы 141, 142 предусмотрен клапанный узел 161, 162, соединенный с головкой 140. Каждый клапанный узел 161, 162 включает в себя для каждого порта 143, 145 группы 141, 142 портов клапан 163, 165 для функционального управления потоком текучей среды через соответствующий порт 143, 145.

Для каждого клапанного узла 161, 162 с клапанами 163, 165 соединена траверса 171, 172, причем перемещение соответствующей траверсы 171, 172 относительно головки 140 приводит к синхронизированной работе соединенных с ней клапанов 163, 165. Для приведения каждой траверсы 171, 172 в перемещение на основе возвратно-поступательного движения поршня 130 предусмотрен привод 181, 182.

Как видно на фиг. 14B-14D, конфигурация входных портов 143 и соответствующих впускных клапанов 163 отлична от конфигурации, показанной в предыдущих примерах, относящихся, в частности, к пневматическим двигателям. В частности, в этом случае впускные клапаны 163 аналогичны выпускным клапанам 165 в том, что клапаны 163, 165 обоих типов открывают свои соответствующие порты 143, 145 путем перемещения в камеру 121 и имеют в целом аналогичные конфигурации запирающих элементов 164, 165 клапанов. На фиг. 14С показаны открытые впускные клапаны 163, поскольку поршень 130 проходит верхнюю мертвую точку, запуская такт впуска, тогда как на фиг. 14D показаны открытые выпускные клапаны 165, поскольку поршень перемещается вверх на такте выпуска. Следует отметить, что рабочая поверхность поршня 130 может иметь углубления для того, чтобы избежать соприкосновения с источником 1410 зажигания, а впускные клапаны 163, в открытом состоянии проходящие в камеру 121,

- 23 031240 когда поршень 130 находится в верхней мертвой точке, позволяют уменьшить неиспользуемый объем между поршнем 130 и головкой 140.

Следует напомнить, что согласно предыдущим вариантам двигателя впускные клапаны 163 были выполнены с возможностью открываться путем вхождения в головку 140, что может быть благоприятным с точки зрения давлений, прикладываемых к впускным клапанам 163 путем подачи сжатого воздуха. Такая конструкция имеет мало преимуществ в случае двигателя 1400 внутреннего сгорания, в котором подается воздух и запирающие элементы 164, 165 клапана лучше приспособлены к тому, чтобы противостоять давлениям, которые генерируются внутри камеры 121 вследствие сгорания.

Соответственно, как впускные клапаны 163, так и выпускные клапаны 165 могут принудительно закрываться, когда соответствующие приводы 181, 182 перемещают траверсы 171, 172 от головки 140, аналогично выпускным клапанам 165 ранее описанных примеров. Впускные клапаны 163 и выпускные клапаны 165 могут быть открыты посредством смещающего элемента, такого как пружина, хотя также возможно, чтобы перемещение траверс 171, 172 в направлении головки 140 осуществлялось под действием приводов с осуществлением принудительного открытия клапанов 163, 165.

Следует отметить, что аналогичная конфигурация использования впускных клапанов 163 и выпускных клапанов 165, каждый из которых принудительно закрывается подобным образом, может быть применена в пневматических двигателях, аналогичных описанным выше. Следует также отметить, что клапаны 163, 165 в примере с двигателем внутреннего сгорания могут альтернативно принудительно открываться посредством приводов 181, 182 и закрываться смещающим элементом.

В любом случае следует понимать, что применение клапанных узлов 161, 162, в которых соответствующая траверса 171, 172 перемещается приводом 181, 182 для осуществления синхронизированной работы соответствующих клапанов 163, 165 будет обеспечивать преимущества, аналогичные описанным в предыдущих примерах.

Кроме того, в случае с двигателем внутреннего сгорания, предполагается, что вышеописанные клапанные узлы 161, 162 могут обеспечить повышенный срок эксплуатации клапана и скорость приведения в действие, поскольку клапаны 163, 165 могут быть принудительно закрыты (и опционально принудительно открыты) без применения натяжения пружины для того, чтобы вернуть клапаны, как в традиционных двигателях внутреннего сгорания. Это является особенно выгодным в высокомощных двигателях, в которых чувствительность закрытия клапана может быть ограничивающим фактором в отношении рабочих скоростей. В некоторых двигателях, соответствующих вышеописанным примерам, для открытия или закрытия клапанов может даже не требоваться применение пружин, при этом пружины могут требоваться только для того, чтобы обеспечить амортизирующий эффект.

Учитывая вышеописанное, следует отметить, что клапанные узлы, имеющие клапаны с принудительным закрытием, могут обеспечивать повышение производительности, особенно в двигателях внутреннего сгорания. Примеры таких клапанных узлов были описаны применительно к многоклапанным двигателям, хотя аналогичные принципы могут быть также применимы к двигателям, имеющим только один впускной клапан и один выпускной клапан.

Соответственно, далее со ссылками на фиг. 15А и 15В описан пример клапанного узла 1560 и соответствующей головки 1540 для двигателя, имеющего один впускной клапан и один выпускной клапан.

Следует отметить, что двигатель возвратно-поступательного действия, в котором применяется клапанный узел и головка 140, показанные на фиг. 15А и 15В, включает в себя признаки, обычно присущие двигателю возвратно-поступательного действия: коленчатый вал, цилиндр, определяющий внутреннюю камеру, поршень, расположенный в камере, причем поршень соединен с коленчатым валом и выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения внутри камеры, хотя указанные признаки не проиллюстрированы, поскольку в рассматриваемом примере основной интерес представляет конкретная конфигурация клапанного узла 1560 и головки 1540.

Двигатель содержит головку 1540, соединенную с цилиндром и закрывающую камеру на конце, противоположном поршню, и клапанный узел 1560. Головка 1540 имеет порт для передачи текучей среды между камерой и соответствующим трубопроводом, а клапанный узел 1560 содержит клапан 1563 для функционального управления потоком текучей среды через порт.

В рассматриваемом случае в клапанном узле 1560 имеется только один клапан 1563. Для целей настоящего примера предполагается, что этот клапан 1563 является впускным клапаном 1563. Для полноты изложения, на фиг. 15А показан другой клапан 1565 и предполагается, что это выпускной клапан 1565. Следует понимать, что для выпускного клапана 1565 может применяться аналогичный клапанный узел, хотя он скрыт на фиг. 15А по соображениям большей наглядности иллюстрации.

Клапанный узел 1560 содержит траверсу 1570, соединенную с клапаном 263, при этом перемещение траверсы 1570 в первом направлении приводит к закрытию клапана 263, а перемещение траверсы 1570 во втором направлении приводит к его открытию. Клапанный узел 1560 дополнительно содержит привод 1580 закрытия для приведения траверсы 1570 в перемещение в первом направлении на основе возвратнопоступательного движения поршня для получения, таким образом, принудительного закрытия клапана, и по меньшей мере один смещающий элемент 1574 для смещения траверсы 1570 во втором направлении.

Такая форма клапанного узла 1560 позволяет клапану механически перемещаться в закрытое поло

- 24 031240 жение против действия смещающего элемента, когда закрывающий привод 1580 воздействует на траверсу 1570, но когда закрывающий привод 1580 не воздействует на траверсу, смещающий элемент 1574 может применяться для возврата клапана 1563 в естественно открытое положение. Следует отметить, что результирующая работа клапана противоположна работе традиционных тарельчатых клапанов в двигателях внутреннего сгорания или подобных устройствах, где клапаны традиционно открываются механически и приводятся в закрытое состояние пружиной.

Как упомянуто выше, имеются значительные преимущества в конструкциях клапанных узлов, предусматривающих принудительное закрытие клапана по сравнению с традиционными клапанными узлами. Повторим, что среди этих преимуществ значительное уменьшение собственного сопротивления вращению двигателя, когда вместо традиционной конструкции принудительного открытия клапана применяется клапанный узел 1560 с принудительным закрытием.

Следует отметить, что основным источником сопротивления вращению в традиционных двигателях внутреннего сгорания является натяжение пружины, требуемое для надежного закрытия традиционных клапанов с принудительным открытием. Пружины традиционных двигателей могут только возвращать клапан в его закрытое состояние с заданной скоростью благодаря их собственным характеристикам динамического отклика, зависящим от факторов, в число которых входит натяжение пружины и масса клапана. При высоких рабочих скоростях клапану может не хватать времени для успешного закрытия. Указанная проблема известна как неполное закрытие клапана. Если в традиционном двигателе внутреннего сгорания клапан не закрывается в достаточное время, то результатом является либо потеря мощности изза уменьшения сжатого газа, который выходит через еще открытый клапан, либо, что более существенно, препятствие, создаваемое клапаном поршню, что может привести к значительному повреждению клапана и/или поршня. Соответственно, неполное закрытие клапана обычно ограничивает максимальную рабочую скорость традиционных двигателей.

Традиционно, проблему неполного закрытия клапана в конфигурациях с обычными тарельчатыми клапанами устраняют только частично счет управления свойствами пружины. Например, если от традиционного двигателя требуются более высокие рабочие скорости, то могут потребоваться пружины с большим усилием для обеспечения надежного возврата клапанов в закрытое состояние. Это приводит к повышенной нагрузке на кулачковом валу, когда пружины сжимаются в ходе открытия клапана что, в свою очередь, вызывает повышенное сопротивление вращению в типичном случае, когда кулачковый вал соединен с двигателем посредством зубчатого ремня или подобного элемента.

Напротив, в клапанных узлах 1560 согласно рассматриваемому примеру, проблема, состоящая в том, что на высоких скоростях клапаны не закрываются должны образом вследствие неполного закрытия, устранена. Клапан 1563 может быть перемещен в закрытое положение, при еще больших скоростях двигателя, поскольку клапаны принудительно закрываются на основе возвратно-поступательного движения поршня и отсутствует необходимость в пружинах или других ограниченных по времени смещающих элементов для закрытия клапана 1563.

Несмотря на то, что клапанный узел 1560 содержит смещающий элемент 1574, такой как пружина, соединенная с траверсой 1570, он может применяться только для облегчения операции открытия клапана 1563. В рассматриваемом примере клапанный узел 1560 выполнен так, что смещающий элемент 1574 вызывает открытие клапана 1563 во всех случаях, когда не используется закрывающий привод 1580 для принудительного закрытия клапана 1563. Такая конструкция требует значительно меньшего натяжения пружины по сравнению с тем, которое понадобилось бы в традиционной конструкции.

В частности, натяжение пружины, требуемое для открытия клапана 1563, может быть рассчитано так, чтобы только противодействовать максимальному давлению во внутренней камере, прикладываемому к рабочей поверхности клапана 1563 в то время, когда необходимо открыть клапан 1563. Следует отметить, что требуемое натяжение пружины остается постоянным по всему диапазону частот вращения, независимо от увеличенной скорости. В предпочтительных вариантах клапанного узла 1560 натяжение пружин, используемых для смещающих элементов 1574 для открытия клапана 1563, может быть равным примерно половине натяжения пружины, требуемого для закрытия аналогичного клапана традиционного двигателя внутреннего сгорания с теми же размерами и характеристиками.

Соответственно, следует отметить, что клапанный узел 1560, имеющий клапаны 1563 принудительного закрытия, способствует уменьшению собственного сопротивления за счет возможности применения пружин, имеющих относительно малое натяжение.

В рассматриваемом примере перемещение траверсы 1570 в первом направлении предусматривает перемещение траверсы 1570 от головки 1540, а перемещение траверсы 1570 во втором направлении предусматривает перемещение траверсы 1570 к головке 1540. Это позволяет применять клапан 1563, имеющий в целом традиционную конструкцию затвора 1564 клапана и открывающийся путем выдвижения затвора 1564 клапана в камеру, а закрывающийся путем посадки затвора 1564 в порт, образованный в головке 1540. Тем не менее, следует отметить, что возможно применение других конструкций для обеспечения принудительного закрытия клапана путем приведения в действия траверсы 1570.

Как показано на фиг. 15А, клапанный узел 1560 может быть внедрен в двигатель внутреннего сгорания, содержащий источник зажигания, такой как свеча 1510 зажигания. Следует отметить, что клапан

- 25 031240 ный узел 1560 может быть размещен таким образом, чтобы обеспечить стандартное позиционирование свечи 1510 зажигания перпендикулярно рабочей поверхности поршня.

Другие двигатели внутреннего сгорания, такие как дизельные двигатели, могут не требовать наличия свечи 1510 зажигания, хотя могут присутствовать другие стандартные элементы двигателя, такие как свеча накаливания или инжектор топлива. Альтернативно, клапанный узел 1560 может быть использован с двигателем сжатого газа, выполненного с возможностью приведения в действие сжатым воздухом, который может работать аналогично тому, как описано выше.

Ниже описаны предпочтительные (хотя и не обязательные) признаки клапанного узла 1560, показанные на фиг. 15А и 15В.

Как и в предыдущих примерах привод закрытия клапана может быть выполнен в виде кулачкового вала 1580, содержащего по меньшей мере один размещенный на нем кулачок 1581. Несмотря на то, что показан один кулачок 1581, может быть предусмотрено множество кулачков, размещенных на общем кулачковом валу на расстоянии друг от друга, при этом каждый из них имеет соответствующий приводимый в движение кулачком элемент, как будет более подробно описано ниже в отношении примеров, проиллюстрированных на фиг. 19 и 20. Рассматриваемый пример приведен только в отношении одного кулачка 1581, хотя следует отметить, что он не носит ограничительного характера.

Кулачковый вал 1580 обычно соединен с возможностью поворота с коленчатым валом двигателя. Таким образом, кулачок 1581 может быть выполнен с возможностью управления движением траверсы 1570 в зависимости от углового положения коленчатого вала. Следует отметить, что клапанный узел 1560 может быть установлен над головкой 1540 с применением верхнего расположения кулачка 1581. Траверса 1570 может, в свою очередь, включать в себя приводимый в движение кулачком элемент 1577 для вхождения в контакт с кулачком 1581, как показано на фиг. 15А. Таким образом, обеспечена конструкция с низким трением для преобразования вращательного движения коленчатого вала в требуемое перемещение клапана 1563 для требуемого закрытия и открытия клапана 1563.

Траверса 1570 может содержать первую часть 1571 траверсы (или основной корпус траверсы), с которой соединен клапан 1563, и вторую часть 1572 траверсы (или крышку траверсы), содержащую приводимый в движение кулачком элемент 1577. В рассматриваемом конкретном примере траверса 1570 определяет полость между первой частью 1571 траверсы и второй частью 1572 траверсы так, чтобы через указанную полость мог проходить кулачковый вал 1580. Структурная конфигурация траверсы 1570 представляет собой традиционную геометрическую конструкцию, обеспечивающую подъем клапана 1563 в закрытое положение, когда траверса 1570 приводится в действие рабочими выступами кулачка 1581.

Как упомянуто выше, каждый смещающий элемент может быть выполнен в виде пружины 1573, соединенной с траверсой 1570. В настоящем примере каждая пружина 1574 соединена с траверсой 1570 так, что пружина 1574 сжимается, когда траверса 1570 перемещается в первом направлении с применением кулачка 1581 на кулачковом валу 1580 (или любого другого закрывающего привода) для принудительного закрытия клапана 1563 так, что сжатая пружина 1574 вынуждает траверсу 1570 перемещаться во втором направлении с обеспечением тем самым открытия клапана 1563, когда кулачок 1581 не применяется для принудительного закрытия клапана 1563.

Другими словами, пружины 1574 обеспечивают смещающее натяжение, которое должен преодолеть кулачок 1581, действующий на приводимый в движение кулачком элемент 1577 в ходе механического закрытия клапана 1563, тогда как открытие клапана 1563 достигается путем ослабления смещающего натяжения.

Как показано на фиг. 15А и 15В, каждая пружина 1574 может быть установлена на шпильке 1573, отходящей в направлении наружу от головки 1540. В аналогичной описанной ранее конструкции, каждая пружина 1574 может удерживаться на шпильке 1573 с использованием стопора 1575, так, что пружины 1574 фактически соединены с траверсой 1570. В рассматриваемом примере клапанный узел 1560 включает в себя пару пружин 1574, расположенных симметрично вокруг клапана 1563 с обеспечением сбалансированного смещения траверсы 1570 для линейного открытия клапана 1563.

В свете вышеописанных примеров двигателей, имеющих траверсы, используемые для синхронизированной работы множества клапанов, следует также отметить, что клапанный узел 1560 такого типа, который описан со ссылкой на фиг. 15А и 15В, может также применяться с множеством клапанов. Для иллюстрации этого на фиг. 16 показан дополнительный пример клапанного узла 1660 в целом аналогичного описанному выше, но содержащего два клапана 1563, соединенных с одной траверсой 1570. Каждый клапан 1563 предназначен для функционального управления потоком текучей среды через соответствующий порт, при котором перемещение траверсы 1570 вызывает синхронизированную работу двух клапанов 1563.

Из сравнения фиг. 16 и фиг. 15В понятно, что такой клапанный узел 1660 содержит по существу признаки, аналогичные ранее описанным, при этом некоторые признаки продублированы или, наоборот, адаптированы к конструкции, вмещающей два клапана 1563 вместо одного клапана 1563 из предыдущего примера. В любом случае, применяются те же принципы работы с получением дополнительных преимуществ механически синхронизированной работы множества клапанов 1563 наряду с возможностью

- 26 031240 управления множеством клапанов с использованием при необходимости одного кулачка 1581.

Несмотря на то, что примеры на фиг. 15А, 15В и 16 иллюстрируют конструкции, содержащие привод 1580 закрытия, обеспечиваемый кулачком или подобным элементом с получением только принудительного закрытия клапана 1563, следует отметить, что могут быть предложены другие варианты двигателей, которые также обеспечивают принудительное открытие клапана 1563. В одном примере клапанный узел 1560 может дополнительно содержать привод открытия клапана для приведения траверсы 1570 в движение во втором направлении на основе возвратно-поступательного движения поршня с обеспечением тем самым принудительного открытия клапана 1563. Следует отметить, что это может быть осуществлено, например, путем применения дополнительного кулачка, выполненного с возможностью приведения траверсы в перемещение в противоположном направлении по сравнению с кулачком, обеспечивающим привод закрытия клапана, причем два указанных кулачка предпочтительно имеют взаимодополняющие профили так, что только один из кулачков осуществляет принудительное приведение в действие траверсы в текущий момент.

Независимо от того, выполнен ли двигатель с возможностью только принудительного закрытия клапана и с применением для открытия клапана смещающего элемента, или с возможностью как принудительного закрытия, так и принудительного открытия клапана, клапанный узел может, тем не менее, содержать смещающий элемент и может быть выполнен так, что смещающий элемент амортизирует закрытие клапана.

На фиг. 18А и 18В показан дополнительный пример клапанного узла 1860. Клапанный узел 1860 в целом аналогичен клапанному узлу 1560, описанному в предыдущем примере, проиллюстрированном на фиг. 15А и 15В, и аналогичные признаки обозначены теми же номерами позиции, что и в предыдущем примере. Однако, в данном примере клапанный узел 1860 содержит дополнительные признаки для улучшения открытия клапана в случаях, когда может понадобиться преодолевать значительное давление для открытия затвора между клапаном и портом, когда клапан закрыт.

Такая ситуация может возникнуть, например, в двигателях внутреннего сгорания, где для открытия выпускных клапанов необходимо преодолевать повышенное давление, возникающее в результате сгорания. Несмотря на то, что смещающий элемент может быть выполнен таким образом, чтобы приводить клапан в открытое состояние, когда привод закрытия клапана не применяется для принудительного закрытия клапана, как в предыдущем примере, это может вызвать необходимость применения мощной пружины или другого подходящего мощного смещающего элемента для надежного нарушения затвора клапана и открытия клапана с противодействием давлению в камере. Применение более мощного смещающего элемента может нежелательно увеличить сопротивление работе двигателя.

В примерах, показанных на фиг. 18А и 18В указанная потенциальная проблема может быть решена за счет применения, в качестве части клапанного узла 1860, нарушающего затвор привода 1885, вызывающего перемещение траверсы 1570 во втором направлении (в настоящем примере в направлении головки 1540), чтобы принудительным образом открыть затвор между портом (не показан) и клапаном 1563 после закрытия клапана 1563.

Таким образом, нарушающий затвор привод 1885 выступает в роли привода открытия клапана особого вида, упомянутого выше, для принудительного открытия клапана 1563. Несмотря на то, что привод открытия клапана может применяться для перемещения траверсы 1570 во втором направлении для полного открытия клапана 1563, это не является существенным для нарушающего затвор привода 1885. Скорее нарушающий затвор привод 1885 может быть предназначен только для обеспечения перемещения траверсы 1570 достаточного для противодействия давлению в камере и нарушению затвора, при этом дальнейшее перемещение в направлении открытия осуществляется смещающим элементом 1574. Следует отметить, что это позволит использовать относительно менее мощный смещающий элемент 1574 в силу отсутствия необходимости обеспечивать смещающее усилие, достаточное для открытия затвора. Нарушающий затвор привод 1885 может воздействовать на траверсу 1570 только в ходе короткого отрезка цикла двигателя для приведения в действие процесса открытия клапана 1563.

Привод закрытия клапана может быть образован первым кулачком 1581, установленным на кулачковом валу 1580, соединенном с возможностью поворота с коленчатым валом, как в предыдущем примере. В указанном примере нарушающий затвор привод может быть образован вторым кулачком 1885, выполненным с возможностью управления перемещением траверсы 1570 в зависимости от углового положения коленчатого вала. Следует отметить, что привод закрытия клапана и нарушающий затвор привод непосредственно синхронизированы друг с другом, так как они расположены на одном и том же кулачковом валу 1580.

Как лучше всего видно на фиг. 18А, первый кулачок 1581 имеет первый рабочий выступ кулачка, а второй кулачок 1885 имеет второй рабочий выступ кулачка. При вращении кулачкового вала 1580 первый рабочий выступ кулачка вызывает перемещение траверсы 1570 в первом направлении, чтобы, тем самым, обеспечить принудительное закрытие клапана 1563, а второй рабочий выступ кулачка вызывает перемещение траверсы 1570 во втором направлении для принудительного открытия затвора.

Можно сказать, что кулачковая конструкция такого типа включает в себя основной закрывающий кулачок (первый кулачок 1581) и вспомогательный кулачок толкатель (второй кулачок 1885), посколь

- 27 031240 ку его функция состоит в том, чтобы осуществлять короткий толчок для нарушения затвора с тем, чтобы позволить смещающему элементу 1574 в виде пружины или другому подобному элементу сместить клапан 1563 в открытое положение.

Следует отметить, что нарушающий затвор привод, обеспечиваемый кулачком толкателем (вторым кулачком 1885), может придавать некоторый импульс клапану 1563, который может также способствовать перемещению клапана 1563 в открытое положение и при этом от смещающего элемента 1574 не требуется значительного смещающего усилия. Тем не менее, смещающий элемент все еще может применяться для амортизации закрытия клапана 1563, как упомянуто выше, в случае применения привода открытия клапана.

Для выполнения этой операции траверса 1570 может содержать первый приводимый в движение кулачком элемент 1577 для взаимодействия с первым кулачком 1581 и второй приводимый в движение кулачком элемент 1879 для взаимодействия с первым кулачком 1885. Следует отметить, что в проиллюстрированном примере второй приводимый в движение кулачком элемент 1879 взаимодействует со вторым кулачком 1885 и, таким образом, вызывает нарушение затвора, когда первый приводимый в движение кулачком элемент 1577 отсоединяется от первого кулачка 1581, т.е. когда привод закрытия клапана не осуществляет принудительное закрытие клапана 1563.

Как и в предыдущем примере, описанном со ссылками на фиг. 15А и 15В, траверса может содержать первую часть 1571 траверсы, с которой соединен клапан 1563 и вторую часть 1572 траверсы, включающую в себя первый приводимый в движение кулачком элемент 1577. Однако в указанном примере первая часть 1571 траверсы может дополнительно содержать второй приводимый в движение кулачком элемент 1879. В рассматриваемом примере кулачковый вал 1580 проходит между первым и вторым частями 1571, 1572 траверсы, в частности в полости, образованной между двумя указанными частями, как описано выше. Благодаря этому удается получить компактную конструкцию.

В некоторых примерах клапан 1563 может быть соединен с траверсой 1570 с применением гильзы клапана, включающей в себя пружину с предварительным поджатием (не показана) или подобный элемент для предварительного нагружения клапана 1563. Второй приводимый в движение кулачком элемент 1879 может быть объединен с гильзой клапана так, что пружина с предварительным поджатием обеспечивает некоторую амортизацию воздействия на клапан 1563 нарушающего затвор привода.

Как показано на фиг. 18В, второй кулачок 1885 для обеспечения нарушающего затвор привода расположен на кулачковом валу 1580 со смещением и на расстоянии от первого кулачка 1581, а второй приводимый в движение кулачком элемент 1879 смещен относительно первого приводимого в движение кулачком элемента 1577 на то же расстояние. Несмотря на то, что конструкция со смещением подобного типа не является существенной, она может потребоваться для того, чтобы использовать отдельные кулачки на одном и том же валу 1580 и для того, чтобы не создавать препятствия клапану 1563, который также соединен с первой частью 1571 траверсы.

Следует отметить, что клапанный узел 1860, показанный на фиг. 18А и 18В, может обеспечить уменьшение сопротивления вращению за счет смещающей пружины по сравнению с клапанными узлами, конструкция которых полностью основана на применении смещающего элемента 1574 для открытия клапана 1563, но без необходимости взаимодействия между приводом и траверсой 1570 в ходе всей части цикла открытия двигателя, как это может быть в случае, когда применяется привод открытия клапана для принудительного открытия клапана 1563. Следовательно, это может способствовать устранению необходимости в жестких производственных допусках, которые могут требоваться в случае полностью принудительного закрытия и открытия клапана 1563.

Описанные выше технологии могут быть также применимы к поршневым машинам в более общем смысле. Здесь термин поршневая машина охватывает как двигатели возвратно-поступательного действия, так и компрессоры.

В соответствии с одним примером компрессор может иметь конструкцию по существу аналогичную вышеописанной конструкции двигателей возвратно-поступательного действия. Однако в этом примере режим приведения в действие клапана обычно модифицируется и, следовательно, ниже со ссылками на фиг. 17А-17С описаны конструкции клапанов для применения двигателя возвратнопоступательного действия с фиг. 1A-1D.

В данном примере клапан 165 действует как впускной клапан, обеспечивая поток воздуха из камеры 148 в поршневую камеру 121, тогда как клапан 163 действует как выпускной клапан, обеспечивая подачу сжатого воздуха посредством камеры 147.

На фиг. 17А показаны впускные клапаны 165 и выпускные клапаны 163, закрытые в верхней мертвой точке (ВМТ). По мере вращения вала 110 впускной клапан 165 открывается при 5° после верхней мертвой точки (ПВМТ), тогда как выпускной клапан 163 остается закрытым, при этом такая конфигурация сохраняется до достижения положения 180° ПВМТ, обеспечивая втягивание воздуха в поршневую камеру 121 во время хода поршня вниз. При положении 180° ПВМТ открывается выпускной клапан 163, тогда как впускной клапан 165 закрывается, обеспечивая подачу сжатого воздуха посредством камеры 147. Такая конфигурация сохраняется до положения ВМТ, в которой выпускной клапан закрывается, после чего процесс повторяется.

- 28 031240

Ниже описан дополнительный пример клапанного узла со ссылкой на фиг. 19Аи 19В.

В указанном примере, клапанный узел включает в себя траверсу 1970, содержащую первую и вторую части 1971, 1972 траверсы. Первая часть 1971 траверсы содержит ветви 1971.1, соединенные с выступающей второй частью траверсы так, что траверса 1970 проходит вокруг отверстия О, через которое проходит кулачковый вал. Несмотря на то, что в настоящем примере показаны две ветви, это сделано только в целях иллюстрации и на практике может быть использовано любое количество ветвей. Так, для образования С-образной траверсы может быть использована одна ветвь, тогда как для обеспечения дополнительной прочности может быть использовано более двух ветвей, например, в форме параллельных, отстоящих друг от друга пар ветвей. Также следует отметить, что хотя траверса образована из двух частей корпуса, это не является существенным и траверса может иметь одну часть корпуса.

Первая часть 1971 траверсы поддерживает второй приводимый в движение кулачком элемент 1979, установленный на ней с возможностью поворота на оси 1978. С первой частью 1971 траверсы также соединен посредством штока 1963 клапана запирающий элемент 1964 клапана с применением подходящего крепления, например, путем резьбового соединения штока клапана с отверстием во втором участке траверсы.

Вторая часть 1972 траверсы поддерживает первый приводимый в движение кулачком элемент 1977, установленный на ней с возможностью поворота на оси 1976 и может быть соединена с ветвями первой части 1971 посредством подходящего соединения, например, шпильками 1972.1, проходящими через вторую часть траверсы и в ветви 1971.1, или посредством затяжного соединения или подобного ему.

В рассматриваемом примере привод закрытия клапана выполнен в виде первого кулачка 1981, установленного на кулачковом валу 1980, который соединен с первым приводимым в движение кулачком элементом 1977 так, чтобы управлять перемещением траверсы 1970 по мере вращения кулачкового вала. Таким образом, первый кулачок 1981 может быть выполнен с возможностью управления перемещением траверсы 1970 в зависимости от углового положения кулачкового вала. В частности, первый кулачок 1981 может применяться для приведения траверсы 1970 в движение в первом направлении 1991, как показано на фиг. 20А-20С так, чтобы запирающий элемент 1964 клапана плотно входил в зацепление с седлом клапана и затем для освобождения траверсы 1970, позволяя траверсе 1970 перемещаться во втором направлении, освобождая, тем самым, запирающий элемент 1964 клапана.

Как описано выше, для облегчения открытия клапана может быть использован смещающий механизм. В настоящем примере, для приведения траверсы 1970 в перемещение во втором направлении 1992 применен нарушающий затвор привод 1985 в виде второго кулачка, установленного на кулачковом валу 1980. В предыдущем примере с фиг. 18А и 18В, такой смещающий механизм используется как кулачок толкатель для нарушения затвора, при этом второй смещающий механизм, такой как пружина, удерживает клапан открытым. Тем не менее, в указанном примере, второй кулачок 1985 функционирует так, чтобы препятствовать закрытию запирающего элемента, когда выступ кулачка взаимодействует со вторым приводимым в движение кулачком элементом 1979. Это в частности имеет место в ситуациях, в которых запирающий элемент 1964 клапана может вибрировать, приводя к закрытию клапана в ходе открытого участка цикла, как происходит, например, в случаях высоких оборотов. Путем обеспечения второго кулачка 1985 предотвращается возврат запирающего элемента 1964 клапана в закрытое положение до тех пор, пока он не будет принудительно закрыт действием первого кулачка.

Следует отметить, что одна или более пружин или второй кулачок 1985 могут быть предусмотрены для того, чтобы способствовать открытию клапана и/или предотвращению его непреднамеренного открытия, однако упомянутые устройства требуются не во всех случаях и, таким образом, альтернативно могут применяться конструкции, не содержащие пружины или второго кулачка 1985, например, в случаях низких оборотов, как описано выше. Таким образом, например, одна или более пружин 1972.4, соединенных со вторым участком 1972.2 траверсы может воздействовать на траверсу для того, чтобы привести траверсу в перемещение во втором направлении, таким образом, содействуя работе клапана либо в качестве альтернативы второму кулачку 1985, либо дополнительно к его действию. Это может также способствовать амортизации посадки клапана на седло, а также обеспечить направленное линейное перемещение. Дополнительно, в рассматриваемом примере пружина 1972.4 может быть установлена в цилиндрическом корпусе, который может взаимодействовать с внешней направляющей, чтобы способствовать обеспечению линейного перемещения траверсы. В любом случае в рассматриваемом примере первый кулачок 1981 имеет такой профиль, чтобы определять параметры клапана в отношении требуемого угла задержки и высоты подъема. Первый кулачок 1981 управляет набором параметров цикла по всему рабочему циклу и в частности определяет закрытие клапана и величину давления, оказываемого на седло клапана закрывающимся клапаном. Первый кулачок 1981 также определяет высоту подъема и способ, которым осуществляется подъем и возврат клапана на седло клапана, тогда как второй кулачок 1985 функционирует так, чтобы открывать клапан и предотвращать непреднамеренное закрытие клапана.

Следует отметить, что в вышеописанном примере первый и второй кулачки 1981, 1985 работают совместно с принудительным закрытием и открытием клапана, что позволяет исключить необходимость применения отдельных смещающих средств, таких как пружины или подобных. Применение такой конструкции позволяет получить ряд преимуществ.

- 29 031240

Во-первых, путем размещения первого и второго кулачков 1981, 1985 внутри отверстия траверсы 1970, становится возможным разместить приводимые в движение кулачком элементы на противоположных сторонах отверстия так, что первый и второй приводимые в движения кулачком элементы 1977, 1979 принудительно приводят траверсу в перемещение в противоположных направлениях. Это позволяет получить полностью линейное перемещение и тем самым избежать недостатков и дополнительного износа, вызванных применением коромысел и поворотных элементов.

Во-вторых, такая конструкция позволяет расположить вершины кулачков коаксиально на общем валу, что обеспечит превосходную синхронизацию первого и второго кулачков. Таким образом, удается избежать проблем с синхронизацией, имеющих место в некоторых двигателях.

В-третьих, в показанной конфигурации, второй кулачок 1985 меньше первого кулачка 1981. Это позволяет изготовить кулачковый вал 1980 и кулачки 1981, 1985 путем машинной обработки из единой заготовки. Для этого стержень материала может первоначально быть подвергнут механической обработке с получением профиля первого кулачка 1981, при этом зоны, находящиеся между положениями первых кулачков подвергаются дополнительной обработке для получения вторых кулачков 1985.

Кроме того, в рассматриваемом примере второй кулачок 1985 и приводимый в движение вторым кулачком элемент 1979 выровнены относительно траверсы 1970, а первый кулачок 1981 и приводимый в движение первым кулачком элемент 1977 смещены относительно траверсы 1970. Дополнительно, в рассматриваемом примере два первых кулачка 1981 и два вторых приводимых в движение кулачком элемента 1977 установлены симметрично на каждой стороне траверсы для того, чтобы уравновесить усилия, прикладываемые к траверсе и, тем самым, уменьшить износ и увеличить эффективность. Следует отметить, что такая конструкция не является существенной и может быть использована любая подходящая конфигурация, включающая, например, любое количество первых и вторых кулачков 1981, 1985 и соответствующих приводимых в движение кулачком элементов 1977, 1979 в траверсе без смещения какихлибо из них относительно траверсы 1970.

Дополнительно, в настоящем примере траверса 1970 выполнена из двух частей траверсы для облегчения сборки внутри двигателя или другой поршневой машины. Благодаря этому обеспечивается установка верней части запирающего элемента 1964 в головке двигателя, при этом первую часть 1971 траверсы устанавливают, и размещают кулачковый вал до того, как вторая часть 1972 траверсы будет соединена с первой частью 1971 траверсы. Это также позволяет регулировать траверсу, например, обеспечивать регулируемое натяжение, чтобы компенсировать растяжение седла клапана вследствие продолжительной эксплуатации. В частности, для такой регулировки необходимо использовать только второй участок 1972 траверсы, который обычно является более доступным внутри двигателя, что позволяет сделать процесс регулировки более простым.

В соответствии с одним примером это может быть достигнуто с применением регулируемой секции 1972.2 второй части 1972 траверсы, которую могут перемещать относительно остального участка второй части 1972 траверсы, тем самым обеспечивая регулирование положения приводимого в движение кулачком элемента 1977. Однако следует отметить, что регулировка также может быть выполнена без применения траверсы, имеющей две части, а например, с использованием подкладок или другим подобным способом.

Дополнительно, вторая часть 1972 траверсы может включать в себя пружину 1972.3, такую как волновая пружина или другой смещающий механизм для приведения первого приводимого в движение кулачком элемента 1977 в перемещение во втором направлении 1922 в направлении первого кулачка 1981. Это позволяет обеспечить ряд преимуществ, включая обеспечение принудительного соединения между первым приводимым в движение кулачком элементом 1977 и первым кулачком 1981. Благодаря этому также обеспечивается амортизация для перехода между рабочими выступами кулачков, что может способствовать уменьшению вибрации клапана, а также сделать конструкцию более легкой в производстве, поскольку она допускает наличие больших допусков в производстве и имеет хорошие показатели с точки зрения износа и регулируемости. Это также способствует амортизации закрытия клапана, что в свою очередь обеспечивает уменьшение износа седла клапана. Следует отметить, что такой результат может быть получен простым способом, чего невозможно добиться в нелинейных конструкциях. Следует отметить, что схожие преимущества можно получить путем размещения пружины 1972.3 в первом участке 1971 траверсы для принудительного перемещения второго приводимого в движение вторым кулачком элемента 1979 в направлении второго кулачка 1985 или путем размещения пружин или других смещающих механизмов, связанных с первым и вторым приводимыми в движения кулачками элементами 1977, 1979.

Вышеописанная конструкция может быть расширена так, чтобы она включала в себя множество встроенных клапанных узлов, содержащих некоторое количество траверс 1970, работающих с применением общего кулачкового вала, проходящего через отверстие О каждой траверсы 1970. Это позволяет приводить в действие множество клапанов одновременно, при этом режимы работы клапанов могут быть легко синхронизированы за счет конструкции кулачкового вала. В этом случае кулачковый вал может быть изготовлен из единого компонента, что предотвращает относительное смещение в режимах работы клапанов, тем самым обеспечивая синхронизированную работу клапанов, даже после их продолжитель

- 30 031240 ного использования.

Соответственно, в вышеприведенном примере описан клапанный узел для использования в поршневой машине, содержащий клапан для функционального управления текучей средой через порт, при этом с клапаном соединена траверса, так, что линейное перемещение траверсы в первом направлении приводит к закрытию клапана, а линейное перемещение траверсы во втором направлении приводит к открытию клапана, также предусмотрен привод закрытия клапана, содержащий поворотный первый кулачок, имеющий первый рабочий выступ, причем при вращении первого кулачка первый выступ кулачка вызывает вынужденное перемещение траверсы в первом линейном направлении, приводя, таким образом, к принудительному закрытию клапана, а также предусмотрен привод открытия клапана для приведения траверсы в перемещение во втором направлении, вызывая, тем самым, принудительное открытие клапана.

Таким образом, предложен механизм, позволяющий применять траверсу для обеспечения открытия клапана, благодаря чему удается уменьшить износ и повысить эффективность работы.

В одном примере клапанный узел содержит первый приводимый в движение кулачком элемент, взаимодействующий с первым кулачком, вызывая тем самым перемещение траверсы в первом линейном направлении. Альтернативно, кулачок может взаимодействовать с траверсой напрямую без применения отдельного приводимого в движение кулачком элемента.

В любом случае первый кулачок расположен между первым приводимым в движение кулачком элементом (или частью траверсы, взаимодействующей с кулачком) и клапаном, что позволяет использовать линейное перемещение траверсы в первом направлении от клапана с целью закрытия клапана. Таким образом, обеспечено принудительное закрытие клапана рабочим выступом кулачка, что способствует более надежному закрытию клапана.

В соответствии с одним примером, первый приводимый в движение кулачком элемент подвижно установлен на траверсе. Это может быть использовано либо для того, чтобы приводить первый приводимый в движение кулачком элемент в принудительное перемещение во втором направлении относительно траверсы путем смещающей пружины и обеспечить допуски в такой конструкции, либо для обеспечения возможности регулирования положения первого приводимого в движение кулачком элемента либо в первом, либо во втором направлении и, тем самым, регулирование степени подъема клапана. Альтернативно, аналогичный эффект может быть получен путем подвижной установки и/или смещения второго приводимого в движение кулачком элемента относительно траверсы.

Привод открытия клапана обычно включает в себя поворотный второй кулачок, имеющий второй рабочий выступ кулачка, при этом при вращении второго кулачка второй рабочий выступ кулачка приводит траверсу в перемещение во втором линейном направлении, чтобы осуществить принудительное открытие клапана. Тем не менее, альтернативно можно использовать смещающую пружину.

В случае применения второго кулачка клапанный узел обычно включает в себя второй приводимый в движение вторым кулачком элемент, устанавливаемый на траверсе, при этом второй приводимый в движение вторым кулачком элемент взаимодействует со вторым кулачком для того, чтобы вызвать перемещение траверсы во втором линейном направлении. В этом случае второй приводимый в движение кулачком элемент обычно размещают между вторым кулачком и клапаном.

В такой конструкции второй кулачок может быть установлен коаксиально и с возможность обязательного поворота с первым кулачком, например, путем размещения первого и второго кулачков на общем кулачковом валу. Это может быть получено путем изготовления кулачков и их присоединения к кулачковому валу, но более типично, когда первый и второй кулачки выполнены за одно целое с кулачковым валом, являясь его частью.

Клапанный узел может содержать по меньшей мере два первых кулачка, расположенных на расстоянии друг от друга на общем кулачковом валу, при этом указанные по меньшей мере два первых кулачка взаимодействуют с соответствующими по меньшей мере двумя первыми приводимыми в движение кулачком элементами, установленными на траверсе. Такая конфигурация может быть применена для уравновешивания прикладываемых к траверсе усилий.

Альтернативно, клапанный узел может содержать по меньшей мере два вторых кулачка, расположенных на расстоянии друг от друга на общем кулачковом валу, при этом указанные по меньшей мере два вторых кулачка взаимодействуют с соответствующими по меньшей мере двумя вторыми приводимыми в перемещение кулачком элементами, размещенными на траверсе.

В еще одном примере рабочий выступ второго кулачка дополнительно ограничивает перемещение траверсы в первом линейном направлении, когда рабочий выступ первого кулачка не приводит траверсу в перемещение в первом линейном направлении.

В одном примере клапанный узел содержит первую и вторую части траверсы. Хотя такая конфигурация и не является обязательной, она может обеспечивать преимущество с точки зрения конструкции и технического обслуживания клапанного узла, например, за счет более простого доступа к компонентам клапана.

В этом примере между первой и второй частью траверсы определено отверстие, через которое при работе устройства проходит кулачковый вал. Дополнительно, клапан может быть соединен с первой ча

- 31 031240 стью траверсы и при этом клапанный узел включает в себя первый приводимый в движение кулачком элемент, установленный на второй части траверсы и второй приводимый в движение кулачком элемент, соединенный с первой частью траверсы.

Клапанный узел может содержать по меньшей мере один кулачок и приводимый в движение кулачком элемент, смещенный в боковом направлении от траверсы, а более типично, когда кулачки и приводимые в движение кулачком элементы установлены симметрично на каждой стороне траверсы для уравновешивания прикладываемых к траверсе усилий.

Клапанный узел также обычно включает в себя множество клапанов, траверс и приводов открытия, размещенных на расстоянии друг от друга, при этом каждый привод открытия клапана содержит по меньшей мере один первый кулачок, а все первые кулачки установлены на общем валу.

Следует отметить, что вышеописанные технические методы и в частности процессы управления клапанами могут быть применены в любой поршневой машине, включая двигатели возвратнопоступательного действия, компрессоры и другие подобные устройства, но не ограничиваясь ими.

Такая поршневая машина обычно включает в себя поворотный вал, корпус, определяющий внутреннюю камеру, поршень, размещенный в камере, при этом поршень соединен с валом и выполнен с возможностью перемещения внутри камеры при вращении вала, при этом в корпусе выполнен порт для осуществления передачи текучей среды между камерой и соответствующим трубопроводом, а также клапанный узел, содержащий клапан для функционального управления потоком текучей среды через порт, причем с клапаном соединена траверса, при этом перемещение траверсы в первом направлении вызывает закрытие клапана, а перемещение траверсы во втором направлении вызывает открытие клапана, а также предусмотрен привод закрытия клапана для приведения траверсы в перемещение в первом направлении на основе возвратно-поступательного движения поршня с обеспечением, тем самым, принудительного закрытия клапана и по меньшей мере один смещающий элемент для смещения траверсы во втором направлении.

Вышеописанная конструкция обеспечивает особую эффективность работы. В частности, для принудительного закрытия клапана используется привод, в отличие от приведения клапана в закрытое состояние с помощью смещающей пружины, как это имеет место в традиционных конструкциях поршневого двигателя/компрессора. В этом случае для открытия клапана может быть использована намного более слабая пружина, что значительно уменьшает энергию, требующуюся на открытие и закрытие клапана по сравнению с традиционными клапанными узлами.

Следует отметить, что в одном примере такой эффект достигается путем применения кулачка, имеющего удлиненный рабочий выступ, позволяющий поднимать траверсу и, следовательно, закрывать клапан, на протяжении большей части цикла вращения кулачка. Таким образом, за счет механического закрытия клапана и применения более слабой пружины для открытия клапанов удается повысить энергетическую эффективность. В двигателях внутреннего сгорания такое увеличение эффективности может достигать 6-8% и потенциально значительно больших величин в других устройствах.

Другое преимущество вышеописанной конструкции состоит в том, что применение траверсы позволяет осуществлять линейное приведение в действие клапана. В частности, для приведения траверсы в линейное перемещение может применяться поворотный кулачок, что далее приводит к линейному перемещению клапана. Таким образом, как описано выше, это может дополнительно повысить энергетическую эффективность и характеристики износоустойчивости.

Следует отметить, что вышеописанные конструкции могут также относиться к клапанному узлу, применяемому в поршневой машине, при этом такой клапанный узел включает в себя клапан для функционального управления потоком текучей среды через порт, траверсу, соединенную с клапаном, причем линейное перемещение траверсы в первом направлении приводит к закрытию клапана, а линейное перемещение траверсы во втором направлении приводит к открытию клапана, также предусмотрен привод закрытия клапана, содержащий поворотный кулачок, имеющий выступ кулачка, при этом при вращении кулачка выступ кулачка приводит траверсу в перемещение в первом линейном направлении, вызывая, тем самым, принудительное закрытие клапана, а также предусмотрен по меньшей мере один смещающий элемент для смещения траверсы во втором линейном направлении так, что по меньшей мере один смещающий элемент открывает клапан, когда клапан принудительно не закрыт приводом.

Следует также отметить, что вышеописанные технологии могут быть также применимы к поршневым машинам с группами клапанов. В таком варианте поршневая машина включает в себя вращающийся вал, корпус, определяющий внутреннюю камеру и поршень, размещенный в камере, при этом поршень соединен с валом и выполнен с возможностью перемещения внутри камеры при вращении вала, также предусмотрена головка, соединенная с цилиндром и закрывающая камеру на конце, противоположном поршню, при этом головка содержит по меньшей мере одну группу портов, включающую в себя два или более портов для обеспечения передачи текучей среды между камерой и соответствующим трубопроводом, при этом клапаны соединены с траверсой, причем перемещение траверсы относительно головки приводит к синхронизированной работе клапанов и привода для приведения траверсы в движение.

Следует отметить, что вышеописанные клапанные узлы могут быть использованы в широком диапазоне областей применения, включая, но не ограничиваясь ими, пневматические двигатели двухтактной

- 32 031240 конструкции или двигатели внутреннего сгорания четырехтактной конструкции, а также компрессоры и другие подобные устройства.

Клапанные узлы могут содержать различное количество рабочих выступов кулачков в зависимости от предпочтительного варианта осуществления. Например, при использовании в двухтактных конструкциях, кулачки обычно имеют один рабочий выступ на группу клапанов, тогда как в четырехтактных конструкциях могут быть использованы два или более, а чаще - три выступа на каждый клапан и или группу клапанов.

Следует отметить, что многие компоненты являются взаимозаменяемыми в различных областях применения, так, например, многосекционный коленчатый валы и/или двуплечий соединительный стержень, применяемый в пневматическом двигателе, может быть применен в двигателе внутреннего сгорания.

В рассмотренной системе предусмотрено применение широкого диапазона конструкций клапанов, включая, традиционно используемые клапаны и клапаны обратного действия, но не ограничиваясь им. В одном конкретном примере, подъем траверсы в направлении от головки будет закрывать клапаны, а опускание траверсы в направлении к головке будет открывать клапаны, как в пневматических двигателях, так и в двигателях внутреннего сгорания.

Рассматриваемая система может легко приспосабливаться к изменению напряжение штока клапана, упрощая регулирование клапанных узлов для того, чтобы компенсировать растяжение узлов седло клапана/толкатель клапана. Дополнительно, для компенсации расширения штока клапана, вызванного теплом, выделяемым в ходе работы двигателя внутреннего сгорания, может применяться встроенное натяжное устройство.

Рассматриваемая конструкция может использоваться внутри отдельного клапана или группы множества клапанов, приводимых в действие общим кулачковым валом, обеспечивая, тем самым, синхронизацию режимов работы множества клапанов.

Предложенный клапанный узел может применяться на компрессорах возвратно-поступательного действия для повышения эффективности, в частности в двухтактной конструкции. В этом случае благодаря двухтактной работе и пониженным давлениям в камере могут применяться смещающие устройства. Напротив, в двигателях внутреннего сгорания, такое смещение может не требоваться и вместо этого может применяться конструкция с толкателем для облегчения открытия клапана, хотя, опять же, это может и не требоваться. Толкатель, если он применяется, может осуществлять открытие, но зависит от параметров основного рабочего выступа кулачка для определения перемещения траверсы и, следовательно, режима работы клапана или клапанов.

В одной конкретной конструкции применение траверсы является особенно преимущественным, так как это позволяет расположить приводимые в движение кулачком элементы, по существу, по линии оси штока клапана, что означает, что перемещение является линейным, что, в свою очередь, уменьшает износ и повышает эффективность, как было показано выше.

В настоящем описании и следующей за ним формуле, слово содержат и его производные содержит или содержащий указывает на наличие упомянутого элемента или группы элементов или этапов, не исключая при этом возможности наличия какого-либо другого элемента или группы элементов, если из контекста не следует иное.

Специалистам понятно, что возможны различные варианты и модификации. Все подобные варианты и модификации, очевидные для специалистов, следует рассматривать, как подпадающие под объем вышеописанное изобретения, которое было в общих чертах описано выше.

Claims (14)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Клапанный узел для применения в поршневой машине, содержащий:

   a) клапан (1963, 1964) для функционального управления потоком текучей среды через порт;

   b) траверсу (1970), соединенную с клапаном (1963, 1964), причем линейное перемещение траверсы (1970) в первом линейном направлении (1991) приводит к закрытию клапана (1963, 1964), а линейное перемещение траверсы (1970) во втором линейном направлении (1992) приводит к открытию клапана (1963, 1964);

   c) привод закрытия клапана (1963, 1964), содержащий поворотный первый кулачок (1981), имеющий первый рабочий выступ кулачка, причем при вращении первого кулачка (1981) первый рабочий выступ кулачка приводит траверсу (1970) в перемещение в первом линейном направлении (1991), приводя тем самым к принудительному закрытию клапана (1963, 1964);

   d) привод открытия клапана (1963, 1964) для приведения траверсы (1970) в перемещение во втором линейном направлении (1992), с обеспечением тем самым принудительного открытия клапана (1963, 1964), причем привод открытия содержит поворотный второй кулачок (1985), имеющий второй рабочий выступ кулачка, причем при вращении второго кулачка (1985) второй рабочий выступ кулачка приводит траверсу (1970) в перемещение во втором линейном направлении (1992), приводя тем самым к принудительному открытию клапана (1963, 1964); и

   - 33 031240

   e) по меньшей мере один смещающий элемент (1972.4) для перемещения траверсы (1970) во втором линейном направлении (1992).
2. 2. Клапанный узел по п.1, в котором клапанный узел содержит первый приводимый в движение первым кулачком (1981) элемент (1977), установленный на траверсе (1970), при этом первый приводимый в движение кулачком элемент (1977) взаимодействует с первым кулачком (1981) для приведения траверсы (1970) в перемещение в первом линейном направлении (1991).
3. 3. Клапанный узел по п.2, в котором выполнено по меньшей мере одно из следующих условий:

   a) первый кулачок (1981) расположен между первым приводимым в движение кулачком элементом (1977) и клапаном (1963, 1964) и

   b) первый рабочий выступ кулачка (1981) приводит первый приводимый в движение кулачком элемент (1977) в перемещение в первом линейном направлении (1991) от клапана (1963, 1964).
4. 4. Клапанный узел по п.2 или 3, в котором первый приводимый в движение кулачком элемент (1977) подвижно установлен на траверсе (1970).
5. 5. Клапанный узел по п.4, в котором первый приводимый в движение кулачком элемент (1977) выполнен с возможностью приведения в перемещение во втором линейном направлении (1992) относительно траверсы (1970) посредством смещающей пружины (1972.3).
6. 6. Клапанный узел по п.4 или 5, в котором положение первого приводимого в движение кулачком элемента (1977) в первом (1991) или втором (1992) линейном направлении является регулируемым для регулирования степени подъема клапана.
7. 7. Клапанный узел по любому из пп.1-6, в котором клапанный узел содержит второй приводимый в движение вторым кулачком (1985) элемент (1979), установленный на траверсе (1970), причем выполнено по меньшей мере одно из следующих условий:

   a) второй приводимый в движение кулачком (1985) элемент (1979) взаимодействует со вторым кулачком (1985) для осуществления перемещения траверсы (1970) во втором линейном направлении (1992) и

   b) второй приводимый в движение кулачком (1985) элемент (1979) расположен между вторым кулачком (1985) и клапаном (1963, 1964).
8. 8. Клапанный узел по п.7 или 8, в котором выполнено по меньшей мере одно из следующих условий:

   a) второй кулачок (1985) установлен коаксиально первому кулачку (1981) и с возможностью обязательного поворота совместно с первым кулачком (1981) и

   b) второй рабочий выступ кулачка дополнительно ограничивает движение траверсы (1970) в первом линейном направлении (1991), когда первый кулачок не приводит траверсу (1970) в перемещение в первом линейном направлении(1991).
9. 9. Клапанный узел по любому из пп.7-9, содержащий по меньшей мере один из следующих признаков:

   a) первый и второй кулачки (1981, 1985) установлены на общем кулачковом валу (1980);

   b) по меньшей мере два первых кулачка (1981), расположенных на расстоянии друг от друга на общем валу (1980), причем по меньшей мере два первых кулачка (1981) взаимодействуют с соответствующими по меньшей мере двумя первыми приводимыми в движение кулачком элементами (1977), установленными на траверсе (1970);

   c) по меньшей мере два вторых кулачка (1985), расположенных на расстоянии друг от друга на общем валу (1980), причем по меньшей мере два вторых кулачка (1985) взаимодействуют с соответствующими по меньшей мере двумя вторыми приводимыми в движение кулачком элементами (1979), установленными на траверсе (1970); и

   d) множество первых кулачков (1981), расположенных на расстоянии друг от друга на общем валу (1980).
10. 10. Клапанный узел по любому из пп.1-9, в котором привод открытия содержит пружину (1972.4) для смещения клапана (1963, 1964) во втором линейном направлении (1992).
11. 11. Клапанный узел по любому из пп.1-10, в котором траверса (1970) содержит первую и вторую (1971, 1972) части траверсы, определяющие отверстие, через которое проходит кулачковый вал (1980).
12. 12. Клапанный узел по п.11, в котором клапан (1963, 1964) соединен с первой частью (1971) траверсы, причем клапанный узел содержит по меньшей мере один из следующих признаков:

    a) первый приводимый в движение кулачком элемент (1977), установленный на второй части (1972) траверсы;

    b) второй приводимый в движение кулачком элемент (1979), соединенный с первой частью (1971) траверсы.
13. 13. Клапанный узел по любому из пп.1-12, содержащий по меньшей мере один кулачок (1981) и приводимый в движение кулачком элемент (1977), смещенный от траверсы (1970) в боковом направлении.
14. 14. Клапанный узел по любому из пп.1-13, содержащий множество клапанов (1963, 1964), траверс (1970) и приводов открытия, размещенных на расстоянии друг от друга, причем каждый привод откры

    - 34 031240 тия содержит по меньшей мере один первый кулачок (1981), при этом все первые кулачки (1981) установлены на общем валу (1980).

    Фиг. 1А,Б

    Фиг. 1QD

    Фиг. 1Е,Б

    Фиг. 1G,H

    - 35 031240

    Фиг. 1I,J

    Фиг. 1K,L

    Фиг. 1M,N

    Фиг. 1O,P

    - 36 031240

    Фиг. 2A

    Фиг. 2B

    Фиг. 2C

    Фиг. 2D

    - 37 031240

    Фиг. 2Е

    Фиг. 3A

    Фиг. 3B

    Фиг. 3C

    - 38 031240

    Фиг. 3D

    Фиг. 3E

    Фиг. 4А,Б

    Фиг. 4QD

    - 39 031240

    Фиг. 4G,Н

    Режимы клапана-поршень 1

    Фиг. 5А

    Режимы клапана-поршень 2

    Фиг. 5В

    Режимы клапана-поршень 3 ϋ вход выход

    Фиг. 5С

    Режимы клапана- поршень 4

    - 40 031240

    Фиг. 6B

    Фиг. 8В

    - 41 031240

    Фиг. 13

    - 42 031240

    Фиг. 14А,В

    Фиг. 14QD

    Фиг. 15А

    Фиг. 15В

    - 43 031240

    Фиг. 16

    Фиг. 17A3

    Фиг. 17С

    Фиг. 18А

    - 44 031240

    Фиг. 18В

    Фиг. 20А,B,С