FI80760C - Kraftenhet och dess anvaendningstillaempning. - Google Patents

Description

1 80760

Voimayksikkö ja sen käyttösovellutuksia. - Kraftenhet och dess användningstillämpningar

Keksinnön kohteena on voimayksikkö, johon kuuluu: - runko - polttomoottori, jossa on ainakin yksi moottorisylinteri, joka on kiinnitetty runkoon, - edestakaisin liikkuva moottorimäntä moottorisylinterissä, - männänvarsi, joka on kiinnitetty moottorimäntään sen mukana edestakaisin liikkuvaksi, ja - voiman ulosottolaitteisto, johon kuuluu pumppusylinteri ja pumppumäntä, joka on kiinnitetty männänvarteen.

Tällainen voimayksikkö tunnetaan US-patenttijulkaisusta no: 3,089,305. Tällaisella voimayksiköllä saavutetaan lukuisia etuja verrattuna nykyisin käytössä oleviin voimayksiköi-hin, joissa pumppu ja moottori ovat toisistaan erillisiä yksiköitä ja moottorin pyörivä kampiakseli on liitettävä pyörivän voimanulosottoakselin välityksellä pumpun pyörivään voi-mansiirtoakseliin. Näitä etuja ovat: - olennaisesti yksinkertaisempi ja tilaa säästävämpi rakenne, koska pyörivät osat jäävät pois ja moottori ja pumppu muodostavat rakenteellisesti ja toiminnallisesti yhden kokonaisuuden - vältetään moottorin ja erillisen pumpun yhteenkytkemis- ongelmat - moottorin teho saadaan aikaisempaa tehokkaammin palvelemaan suoraan hydraulinesteen paineistamista.

Näistä olennaisista eduista huolimatta mainituntyyppinen voimayksikkö ei kuitenkaan ole edennyt kokeiluastetta pidemmälle. Eräs olennainen syy tähän on nähtävissä siinä, että voiman ulosottoa ja jakamista käyttöpisteisiin ei ole onnistuttu käyttökelpoisella tavalla järjestämään. Jos männänvarteen liittyy vain yksi samankeskinen hydraulisylinteri, muodostuu ongelmaksi sen tuoton säätö riittävän laajoissa rajoissa ja jakaminen eri käyttöpisteisiin, joiden voiman tarve vaihtelee toisistaan riippumattomasti.

2 80760

Keksinnön yleisenä tarkoituksena on edelleenkehittää mainitun tyyppistä voimayksikköä siten, että sen moottorimäntien tekemä työ saadaan mahdollisimman tehokkaasti ja välittömästi muutetuksi voimayksikön ulostulotehoksi, joka on laadullisesti ja määrällisesti sovitettavissa erilaisten käyttökohteiden toisistaan riippumattomiin tarpeisiin.

Erityisesti keksinnön tarkoituksena on saada aikaan voimayk-sikkö, jonka antama hydrauliteho saadaan yksinkertaisella tavalla jaetuksi eri käyttömoottoreille ja työlaitteille siten, että kunkin moottorin ja työlaitteen toiminta on helposti erikseen säädettävissä.

Keksinnön lisätarkoituksena on saada aikaan tehokas ja tehoonsa nähden pienikokoinen voimayksikkö, jolla työkoneen ajomoottoreiden ja työlaitteiden käyttöenergia (hydraulinen, sähköinen tai pneumaattinen) voidaan tuottaa mahdollisimman suoraan halutussa muodossa.

Näiden tarkoitusten saavuttamiseksi on keksinnön mukaisella voimayksiköllä oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyt tunnusomaiset piirteet.

Seuraavassa keksinnön erästä suoritusesimerkkiä selostetaan viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön mukaista voimayksikköä aksiaalisena pitkittäisleikkauksena ja kuvio 2 esittää kaaviollisesti voimayksikön käyttösovellutusta.

Voimayksikön moottoriosaan 1 kuuluu kaksi sama-akselista moottorisylinteriä 14, joissa olevat moottorimännät 2 on liitetty jäykästi yhteen tangolla 6, joka muodostaa yhteisen männänvarren männille 2. Voimayksikön runko muodostuu männän-vartta 6 ympäröivistä rengasmaisista osista 27, 3a, 3b, 27a, 3 80760 jotka on kiinnitetty aksiaalisesti peräkkäin. Moottorisylin-terien 14 ja runko-osien 27, 27a välissä on ahdin 15, joka muodostuu ahdinsylinteristä 16 ja männän 2 tyveen kiinnitetystä ahdinmännästä 19. Ahtimeen kuuluu lisäksi takaiskuvent-tiilillä 18a varustettu imuilmaputki 18 ja huuhteluilmaputki 17, joka yhdistää ahdinsylinterin 16 moottorisylinteriin 14. Putkessa 17 oleva takaiskuventtiili 17a ei ole toiminnan kannalta välttämätön. Ahdinsylinterin 16 moottorin puoleisessa päässä on ulkoilmaan avautuva huohotusaukko 20.

yleisesti viitenumerolla 3 merkittyyn hydraulipumppuosaan kuuluu aksiaalisen välimatkan päässä toisistaan olevat rengasosat 3a ja niiden välissä oleva rengasosa 3b. Kummassakin rengas-osassa 3a on useita aksiaalisuuntaisia pumppusylintereitä 5, jotka ovat jaetut sopivin välimatkoin rengasosan 3a ympärys-matkalle. Sylintereissä 5 olevat tappimaiset männät 4 on kiinnitetty rengasosassa 3b olevaan laippaan 4a, joka on kiinnitetty männänvarteen 6. Laippa 4a voidaan tietenkin korvata sä-teittäisillä varsilla. Kukin pumppusylinteri 5 on varustettu hydraulinesteen imu- ja painejohdoilla 9 ja 10 (joita piirustuksessa ei ole eroteltu). Hydraulisylintereiden 5 määrä riippuu käyttösovellutuksesta. Vähimmäismäärä on kaksi pumppusylin-teriä yhteen iskusuuntaan. Yhdessä kaksimäntäisessä moottorissa voi olla myös 3 kappaletta pumppusylintereitä, joista kaksi pienempää on samaan suuntaan ja yksi isompi vastakkaiseen suuntaan. Jonkinlaisena ohjearvona voidaan sanoa, että useimmissa käytännön sovellutuksissa sylintereitä 5 tulisi olla vähintään 6 kappaletta. Yleensä tarve ei ylitä 30 kappaletta. Voimayksiköitä voidaan rakentaa erilaisilla sylinterimäärillä yksinkertaisesti valmistamalla vain osat 3a, 3b, 4a ja 4 tarvittavaa sylinterimäärää ja sylinterikokoa vastaaviksi. Tämä tarve määräytyy työkoneessa olevien hydraulimoottoreiden ja toimisylintereiden määrän ja koon perusteella. Usein on edullista järjestää kaksi tai useampia mäntäsylinteriyksiköitä 4, 5 käyttämään yhtä ajomoottoria tai toimisylinteriä, jolloin ajo- tai liikenopeutta voidaan säätää kytkemällä yksi tai useampi mäntäsylinteriyksikkö 4, 5 toimintaan ja muut hydraulinesteen vapaakierrolle.

4 80760 Sähkön tuottoa varten on männänvarteen 6 kiinnitetty magneetti 22, joka moottorin käydessä liikkuu edestakaisin käämin 24 rautasydämen 23 napojen ohi. Käämi 24 rautasydämineen 23 on kiinnitetty rengasmaiseen runko-osaan 27a. Piirustuksessa on esitetty pelkistetty esimerkki. Käytännössä magneetilla 22 ja rautasydämellä 23 voi olla useita napoja sekä aksiaalisuun-nassa peräkkäin että sivusuunnassa rinnakkain. Hydraulipumppu 3 on päävoimanlähde ja viitenumerolla 21 esitetty sähkögeneraattoriosa on apuvoimanlähde, jota käytetään työkoneen akun lataamiseen. Sähkögeneraattoria 21 voidaan käyttää myös moottorin käynnistysmoottorina. Tällöin sen teho on mitoitettava riittäväksi, jotta moottorimännät saadaan tekemään edestakaista liikettä, jonka iskunpituus vähitellen kasvaa riittävän suureksi, jotta jompaan kumpaan moottorisylinteriin syntyy polttoaineen syttymiseen tarvittava paine.

Useissa käyttösovellutuksissa tarvitaan myös paineilmaa.

Tästä huolehtii paineilmakompressori 25, jonka mäntä 26 on kiinnitetty samankeskisesti männänvarteen 6 sylinterin 27 sisään. Sylinterin 27 molempiin päihin liittyy takaiskuvent-tiileillä 28 varustetut imuilmaputket 29 ja takaiskuventtii-leillä 31 varustetut paineilmaputket 30, jolloin mäntä 26 suorittaa työiskun molempiin suuntiin.

Kuviossa 2 on esitetty esimerkki keksinnön mukaisen voimayk-sikön sovellutuksesta työkoneeseen, jossa on neljä kappaletta pyörän napoihin liittyviä ajomoottoreita 41, jotka on kukin erikseen liitetty omalla paine- ja paluujohdollaan 9, 10 voi-mayksikön pumppuosaan 3. Tällainen järjestely soveltuu hyvin kaikkiin nelipyörävetoisiin ajoneuvoihin kuten autoihin. Työ-konesovellutuksissa pumppuosan 3 molemmista sylinteriyksi-köistä 3a lähtee joukko paine- ja paluujohtoja 37 ja 38, jotka liittyvät työkoneen ohjaussylinteriin sekä työlaitteiden sylintereihin ja/tai moottoreihin. Esimerkkeinä tällaisista työkonesovellutuksista voidaan mainita runko-ohjatut huolto-työkoneet ja maataloustyökoneet.

li 5 80760

Pumppuosassa 3 on ainakin neljä samankokoista mäntäsylinte-riyksikköä 4, 5, jotka käyttävät ajomoottoreita 41. Lisäksi on työlaitteiden tarvitsema määrä mäntäsylinteriyksiköitä 4, 5. Tehonsäädön kannalta on edullista, jos yhtä ajomoottoria tai työlaitetta kohti on useita mäntäsylinteriyksiköitä 4, 5.

Voimayksikön toiminta tapahtuu seuraavasti. Käynnistys suoritetaan esim. sähköisesti generaattoriosan 21 avulla. Käynnistys voidaan suorittaa myös paineilma-akusta kompressoriosan 25 avulla tai hydraulinesteen paineakusta pumppuosan 3 välityksellä. Jos moottori toimii kaksitahtidieselperiaatteella, käynnistyksen helpottamiseksi voidaan käyttää hehkutulppaa. Polttonesteen ruiskutussuuttimet 32 voidaan kytkeä saamaan käyttövoimansa männänvarresta 6 (periaatteessa samalla tavalla kuin hydraulipumput 4f 5). Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää sähkökäyttöisiä tai sähköisesti ohjattuja ruiskutuspump-puja. Olennaista on, että ruiskutuspumput tai -suuttimet 32 saavat toiminta-ajoituksensa moottorin männän 2 sijainnin perusteella tai sylinterissä 14 vallitsevan paineen perusteella tai niiden molempien yhteisvaikutuksen perusteella. Kuviossa 1 on esitetty korkeapainepumppu 34, joka syöttää polttoainetta ruiskutussuuttimelle 32 venttiilin 33 kautta. Venttiilin 33 avautumista ohjaa sylinterin 14 paineanturi 35. Paineakku 36 tasaa polttonesteen syöttöpaineen. Venttiili 33 sulkeutuu määrätyn viiveajan jälkeen. Moottorin tehoa voidaan säätää säätämällä ko. viiveaikaa eli ruiskutusajän pituutta. Käynnistyksen yhteydessä riittää suhteellisen vähäinen puristus polttoaineen sytyttämiseen, jos hehkutulppaa käytetään apuna. Ensimmäinen työisku saa aikaan jo huomattavasti suuremman puristuksen vastakkaiseen moottorisylinteriin 14, jossa tapahtuu jo tehokkaampi räjähdys ja jälleen puristus kasvaa vastakkaisessa sylinterissä 14. Koska toiminta tapahtuu kaksi-tahtiperiaatteella, on ahtimella 15 olennainen merkitys koneen tehoon. Koska ahdinsylinterin 16 halkaisija on suurempi kuin moottorisylinterin 14, on huuhteluilmamäärä riittävä palokaasujen tehokkaaseen poistamiseen. Tämä varmistaa, että voimayksiköstä saadaan kokoonsa nähden suuri teho. Polttones- 6 80760 teen ruiskutuksen ajoituksella on erityinen merkitys ahtimel-la tapahtuvan huuhtelun yhteydessä. Tällöin koko palotila voidaan täydellisesti huuhdella ennen kuin polttoneste syötetään sylinteriin. Toisin sanoen polttonesteen ruiskutus sylinteriin 14 suoritetaan vasta kun sylinterin 14 kaikki aukot ovat sulkeutuneet.

Jos esim. polttonesteen syötössä ilmenevän häiriön johdosta toisessa moottorisylinterissä 14 ei tapahdu sytytystä, puristuu sylinterissä oleva ilma kokoon ja pysäyttää männän 2 ennen kuin se törmää sylinterin kanteen. Koska puristuspaine tässä tilanteessa ei ylitä normaalia työiskun painetta, ei moottori vahingoitu tästä häiriöstä.

Keksinnön mukaisessa tapauksessa dieselperiaate on ilmeisesti edullisempi myös siitä syystä, että tällöin sytytyshetki säätyy automaattisesti optimaaliseksi, eikä sytytyksen ajoituksesta tarvitse erikseen huolehtia erityisillä mekaanisilla tai elektronisilla laitteilla. On kuitenkin selvää, että myös sähköisellä sytytyksellä varustettu ottomoottori samoin kuin venttiilikoneet ja nelitahtimoottorit kuuluvat keksinnön piiriin.

Voimayksikön käydessä yksi tai useampi hydraulipumppu 4, 5 tuottaa hydraulinestettä omalle moottorilleen tai sylinterilleen, joiden käyttöä voidaan täten erikseen ja toisistaan riippumatta säätää. Säätö voi tapahtua esim. säätämällä pump-pusylinterien 5 imupainetta imujohdossa olevan takaiskuvent-tiilin avautumisastetta säätämällä. Tällöin pumppusylinteriin syntyy alipaine ja sylinteri täyttyy vain osittain öljyllä. Myös muita sinänsä tunnettuja venttiiliratkaisuja, kuten val-vistori ym. proportionaaliset venttiilit, voidaan käyttää painejohdoissa.

Erityisen edullinen tilanne aikaansaadaan siten, että kaksi pumppusylinteriä 5, jotka ovat eri rengasosissa 3a, on yhdistetty samaan painejohtoon 9, jolloin sykkimistaajuus tulee

II

7 80760 kaksinkertaiseksi ja sykkimisampiitudi pienenee. Tällöin ei aina välttämättä tarvita paineakkua, vaan hydrauliletkujen oma tilavuus ja joustavuus toimii paineakkuna, joka tasaa moottorille menevän paineen. Hydraulisten paineakkujen käytöllä saavutetaan kuitenkin monia hyödyllisiä lisäominaisuuksia, kuten moottorin hydraulinen käynnistysmahdollisuus tai ajoneuvon jarrutusenergian varastointi. Paineakkuun varastoitu jarrutusenergia voidaan sinänsä tunnetulla tavalla käyttää hyväksi kiihdytykseen liikkeellelähdössä. Paineakkujen kolmantena käyttökohteena voi olla moottorin iskutaajuuden hallinta hydraulisen vastapaineen avulla ilman tehohukkaa.

Edellä esitettyä suoritusesimerkkiä ei ole esitetty keksintöä rajoittavassa mielessä. Yksityiskohtainen rakennetoteutus voi monin tavoin vaihdella. Esimerkiksi moottorin männät 2 voidaan yhdistää toisiinsa monilla eri tavoilla toimimaan keskenään vuorotahdissa. Männät 2 voivat olla rinnakkain ja niiden männänvarret on laakeroitu keinuvivun päihin. Moottori voidaan rakentaa toimimaan myös siten, että moottorimäntiä ei ole kytketty mekaanisesti yhteen, vaan ne liikkuvat enemmän tai vähemmän toisistaan riippumattomasti. Tällöin paluuiskus-ta (huuhtelu ja puristus) huolehditaan jousien avulla. Luonnollisesti keksintöön kuuluu myös ratkaisu, jossa useita moottoriyksiköitä on kytketty rinnakkain yhdeksi voimayksi-köksi. Keksinnön piiriin kuuluu myös sovellutukset, joissa yhdeltä pumppusylinteriltä 5 lähtevä painejohto 10 haarautuu kahdelle tai useammalle ajomoottorille tai käyttölaitteelle, mikäli samanaikaisesti kuitenkin käytetään hyväksi keksinnön mukaista monimäntäperiaatetta voiman hydrauliseen ulosottoon seuraavien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (6)

8 80760

1. Voimayksikkö, johon kuuluu: - runko - polttomoottori (1), jossa on ainakin yksi moottorisylinte-ri (14), joka on kiinnitetty runkoon, - edestakaisin liikkuva moottorimäntä (2) moottorisylinteris-sä, - männänvarsi (6), joka on kiinnitetty moottorimäntään (2) sen mukana edestakaisin liikkuvaksi, ja - voiman ulosottolaitteisto, johon kuuluu ainakin kolme erillistä pumppusylinteriä (5) ja vastaavasti ainakin kolme erillistä pumppumäntää (4), jotka on kiinnitetty männänvar-teen (6), säteittäisen välin päähän männänvarresta (6), jolloin kuhunkin pumppusylinteriin (5) liittyy hydraulines-teen imu- ja painejohdot (9, 10), jotka liittävät pumppusy-linterit (5) ajomoottoriin (41) tai toimisylinteriin, tunnettu siitä, että ainakin yhdellä mäntäsylinteri-yksiköllä (4, 5) on erilainen halkaisija kuin muilla, ja että ainakin kahden erikokoisen sylinterin (5) painejohdossa on säätöventtiili mainittujen sylinterien (5) tuoton säätämiseksi erikseen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen voimayksikkö, tunnettu siitä, että voiman ulosottolaitteistoon kuuluu ainakin neljä samankokoista mäntäsylinteriyksikköä (4, 5) ja ainakin yksi erikokoinen mäntäsylinteriyksikkö.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen voimayksikkö, jonka moottori on ahtimella varustettu kaksitahtimoottori, jonka ahtimeen kuuluu: - ainakin yksi ahdinsylinteri (16), joka on sijoitettu moot-torisylinterin (14) aksiaaliseksi jatkeeksi ja on halkaisijaltaan moottorisylinteriä suurempi, - ahdinsylinterissä (16) oleva ahdinmäntä (19), joka on kiinnitetty moottorimännän (2) tyveen tai moottorimäntien (2) yhdistävään männänvarteen (6), ja li 9 80760 - ahdinsylinteriin liittyvä imuilmaputki (18), joka on varustettu takaiskuventtiilillä (18a), ja huuhteluilmaputki (17), joka yhdistää ahdinsylinterin (16) moottorisylinte-riin (14), tunnettu siitä, että moottorisylinterin (14) paineanturi (35) ja/tai männänvarren (6) sijainnin anturi on liitetty polttoaineen ruiskutuksen venttiilielimiin (33).

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukaisen voimayksikön käyttösovellutus, tunnettu siitä, että ainakin kaksi hydraulista mäntäsylinteriyksikköä (4, 5) on liitetty suoraan nesteyhteyteen yhden ajomoottorin tai toimisylinterin kanssa, kunkin mainituista mäntäsylinteriyksiköistä (4, 5) ollessa erikseen varustettu venttiilielimillä hydraulinesteen vapaa-kiertoa varten.

5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukaisen voimayksikon sovellutus, itsekulkevaan ajoneuvoon, jossa on hydrauliset ajomoot-torit, tunnettu siitä, että kukin ajomoottori (41) on liitetty hydraulisella painejohdolla (9) yhteen tai useampaan pumppusylinteriin (5) siten, että pumppusylinterin (5) ja ajomoottorin (41) välillä on suora hydraulinesteyhteys.

6. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukaisen voimayksikon sovellutus itsekulkevaan työkoneeseen, jossa on hydrauliset ajomoot-torit ja työlaitteiden sylintereitä ja/tai moottoreita, tunnettu siitä, että ajomoottorit (41) tai ajomootto-rit parittain sekä työlaitteiden sylinterit ja/tai moottorit on kukin liitetty hydraulisella painejohdolla yhteen tai useampaan pumppusylinteriin (5). 10 80760