UA49973C2 - Спосіб керування рухом поршня машини, пристрій для його здійснення і спосіб балансування цього пристрою - Google Patents

Abstract

Даний винахід стосується способу керування рухом поршня машини, що здійснює такі операції, як переміщення газу у двигунах з автономною камерою згоряння або запалення та спалювання у традиційних двигунах, при постійному об'ємі шляхом зупинки поршня та утримування його в зоні верхньої мертвої точки протягом якогось періоду часу. Винахід також стосується пристрою для здійснення даного способу, в якому поршень управляється важільним пристроєм регулювання тиску, робота якого, у свою чергу, регулюється дією колінчастого вала та сполучного штока.

Description

Опис винаходу

Даний винахід стосується динаміки системи сполучного штока/колінчастого вала поршневих двигунів, 2 поршневих компресорів та інших машин, робочим органом яких є поршень. Більш конкретно даний винахід стосується екологічно чистих двигунів або двигунів з більш низьким ступенем токсичності з автономною камерою згоряння і/або розширення.

Двоходові або чотириходові двигуни внутрішнього згоряння працюють, в основному, використовуючи добре відому систему шатуна (сполучного штокаукривошипа, яка приводить у рух поршень або приводиться у рух 70 поршнем, що переміщається в циліндрі. При ході униз поршень відбирає паливно-повітряну робочу (горючу) суміш, після чого стискує її при ході угору у напрямку до камери згоряння, що займає верхню частину циліндра, до такого стану, коли ця суміш займе найменший допустимий об'єм. В камері згоряння суміш запалюється, а її температура і тиск підвищуються. В результаті гази під дуже високим тиском, розширюючись при падінні тиску, забезпечують зворотний хід поршня, який за допомогою шатуна (сполучного штока) приводить в обертання 75 колінчастий вал, створюючи дію, відому за назвою робочий хід.

Траєкторія переміщення поршня, яка описує синусоїдальну криву, забезпечує його безперервний рух, і хоча швидкість переміщення поршня в зоні верхньої мертвої точки падає, його рух не припиняється. Цей факт поставив виготовлювачів двигуна перед однією з найбільш серйозних проблем, зміст якої полягає у тому, що згоряння повинне бути ініційоване запаленням (займанням) до досягнення поршнем зони верхньої мертвої точки, Початок згоряння викликає підвищення тиску, що тягне за собою виникнення протидії, яка є причиною втрати вихідної потужності двигуна у той момент, коли поршень розпочинає свій хід униз, збільшуючи об'єм камери згоряння і створюючи умови для зниження тиску, який при згорянні має звичай підвищуватися, коли процес згоряння відібраної порції суміші ще не завершився. Більш того, при закритті вихлопу та відкриванні впускного пристрою виникає протидія через падіння тиску під час здійснення рухів на самому початку процесу с відкривання та закриття впускних і випускних пристроїв. Ге)

В опублікованій патентній заявці УМО 96/27737 автор винаходу описав спосіб зниження токсичності двигуна, обладнаного автономною зовнішньою камерою згоряння, в основу роботи якого покладено принцип двоїстості з використанням двох джерел енергії, що передбачає застосування звичайного палива (пального) у вигляді бензину або дизельного палива для їзди по трасах (одномодовий паливно-повітряний режим) або для їзди на Ше низьких швидкостях, наприклад, у межах міста чи в передмісті, з додаванням стиснутого повітря (або будь-якого ча екологічно чистого газу), аж до повного виключення якого б то не було виду традиційного палива (одномодовий повітряний режим, тобто з додаванням стиснутого повітря). В патентній заявці МУХО 96/07714 автор винаходу о описав установку такого типу двигуна, що працює в одномодовому режимі з додаванням стиснутого повітря, на /д) транспорті сфери обслуговування, наприклад, на міських автобусах.

Зо В двигунах зазначеного типу, а саме працюючих на паливно-повітряному режимі, паливно-повітряна суміш М всмоктується і стискується в автономній камері для відбору та стиску суміші. Потім ця суміш подається, все ще під тиском, в автономну камеру згоряння з постійним об'ємом, де суміш запалюється для підвищення Її температури і тиску. Після виходу з патрубка, що з'єднує камеру згоряння або розширення з розширювальною « камерою для зниження тиску чи з вихлопною камерою, суміш повинна розширюватися в об'ємі в останній з камер З для виконання заданої роботи. Збільшені в об'ємі гази викидаються в атмосферу через вихлопну трубу. с При роботі з використанням повітря та при малій вихідній потужності паливний інжектор стає більш з» незатребуваним; у цьому випадку дещо пізніше переміщення стиснутого повітря, що не містить якого б то не було палива, з камери відбору та стиску, приєднаної до камери згоряння, в камеру згоряння вводиться незначна кількість стиснутого повітря із зовнішнього резервуара для зберігання повітря під високим тиском, наприклад, 200бар, при температурі навколишнього середовища. е Дана незначна кількість стиснутого повітря при температурі навколишнього середовища нагрівається за (Те) рахунок контакту з масою повітря, що має високу температуру та міститься в камері згоряння або розширення, розширюється в об'ємі і підвищує тиск в зазначеній камері з метою відведення та передачі роботи двигуна у о процесі збільшення об'єму камери. -І 20 В двигуні зазначеного типу, відомому як екологічно чистий або нетоксичний двигун, переміщення газів або повітря з камери згоряння в розширювальну камеру для зниження тиску також повинно починатися перед зоною с» верхньої мертвої точки і створювати протидію, яка порушує коректну роботу двигуна саме тому, що тиск повинен створюватися в розширювальній камері для зниження тиску перед тим, як поршень розпочне свій хід униз.

Однією з головних проблем існуючої системи сполучного штока/колінчастого вала є зниження вихідної 25 потужності та наявність токсичних викидів під час здійснення операцій запалення, спалювання, вприскування,

ГФ) переміщення, завершення вихлопу і/або початку відбору. При вирішенні цієї технічної задачі було відзначено, що всі зазначені дії проводяться в об'ємах, які завжди відрізняються один від одного, і, зокрема, поршень о завжди знаходиться у русі, тому створювані при цьому об'єми камер ніколи не можуть бути постійними.

Більш конкретно предметом даного винаходу є спосіб керування рухом поршня машини, наприклад, двигуна, 60 або компресора, що характеризується пристроєм для його здійснення, більш конкретно тим, що верхня мертва точка руху поршня стабілізується, а поршень утримується в зоні верхньої мертвої точки протягом періоду часу, який дозволяє здійснити в постійному об'ємі наступні дії: виконання операцій запалення і спалювання у традиційних двигунах, виконання операцій вприскування палива у дизельних двигунах, бо виконання операцій переміщення газу і/або стиснутого повітря у двигунах з автономною камерою згоряння і/або розширення, виконання операцій завершення вихлопу, початку відбору для всіх типів двигунів та компресорів.

В результаті використання даного винаходу для традиційного 2-ходового або 4-ходового двигуна з'являється можливість забезпечити запалювання порції суміші у той момент, коли поршень утримується в зоні верхньої мертвої точки і коли камера згоряння перед початком ходу поршня униз постійно залишається у межах свого найменшого об'єму у стані очікування, поки не відбудеться повне згоряння завантаженої порції палива, тим самим виключаючи виникнення протитиску при запаленні з випередженням (як в існуючих двигунах) і, отже, забезпечення умов для більш повного згоряння, що, у кінцевому результаті, дозволить одержати вихлопні гази зі 7/0 зниженим вмістом речовин, забруднюючих атмосферу.

Для дизельного двигуна також стає можливим вприскування палива у той момент, коли поршень знаходиться в зоні верхньої мертвої точки, уникаючи таким чином протитиску, що виникає внаслідок початку процесу згоряння перед зоною верхньої мертвої точки, яке й є причиною створення протидії.

Таким чином, вирішення поставленої задачі виявилося можливим завдяки використанню двигуна з /5 автономною камерою спалювання і/або розширення, що дозволило спрямовувати передачу тиску газів і/або стиснутого повітря в розширювальну камеру для зниження тиску без загрози виникнення протитиску, який є причиною втрати тиску, а отже і потужності, і з'являється перед тим моментом, коли поршень досягає зони верхньої мертвої точки і опиняється у стані очікування передачі тиску ще до того, як поршень розпочне свій хід униз, збільшуючи об'єм розширювальної камери для зниження тиску.

У всіх випадках існує можливість закрити вихлопний отвір у той момент, коли поршень досягне зони верхньої мертвої точки, або незадовго до цього, тем самим уникаючи падіння тиску через раннє закриття, і відкрити вхідний отвір перед тим, як поршень розпочне здійснення свого ходу униз.

Зупинка поршня та утримування його в зоні верхньої мертвої точки можуть здійснюватися будь-яким доступним способом, відомим спеціалісту, обізнаному в даній галузі техніки, наприклад, за допомогою кулачків, сч г шестерень і т.п.

У більш прийнятному варіанті здійснення винаходу для забезпечення зупинки поршня в зоні верхньої мертвої і) точки і відповідно до ще одного аспекту даного винаходу поршень управляється важільним пристроєм регулювання тиску, який, у свою чергу, управляється системою сполучного штока/колінчастого вала. Термін "важільний пристрій регулювання тиску" використовується для описання системи, що складається з двох со зо шарнірно сполучених маніпуляторів, один з яких має стаціонарний кінець або вісь повороту (шарнір хитного плеча важеля), а інший, вільний, може переміщатися уздовж осі. При наявності сили, що діє приблизно - перпендикулярно осі двох маніпуляторів, коли ці маніпулятори вирівняні з утворенням однієї лінії, що Ге! проходить через точку шарнірного з'єднання, розташовану між цими двома маніпуляторами, вільний кінець одержує можливість примусового переміщення. Цей вільний кінець може бути приєднаний до поршня і ме)

Зв Контролювати його рух. Поршень досягає своєї верхньої мертвої точки приблизно тоді, коли дві шарнірно «Е сполучені тяги є продовженням одна одної (кут між ними складає 1807).

Колінчастий вал приєднаний до осі шарнірного з'єднання обох маніпуляторів за допомогою керуючого сполучного штока. Просторове місце розташування різних елементів та їхні розміри забезпечують необхідну зміну динамічних характеристик вузла з'єднання. Положення стаціонарного кінця визначає кут між віссю «

Зміщення поршня і віссю обох маніпуляторів у вирівняному стані. Положення колінчастого вала визначає кут між з с керуючим сполучним штоком і віссю обох маніпуляторів у вирівняному стані. Відмінності у значеннях величин цих кутів і довжин сполучних штоків та маніпуляторів дають можливість визначити кут повороту колінчастого ;» вала, при якому поршень зупиняється в зоні верхньої мертвої точки. Це відповідає тривалості періоду часу, протягом якого поршень залишається у стані очікування.

Відповідно до одного з прикладів здійснення винаходу пристрій у всій його цілісності (поршень і важільний ї5» пристрій регулювання тиску) піддається балансуванню шляхом відтягування нижнього маніпулятора від його стаціонарного кінця або осі повороту (шарніра хитного плеча важеля), використовуючи пристрій, що являє собою і, дзеркальне відображення важільного пристрою регулювання тиску, який симетрично, протилежно спрямований і

Ге) має ідентичний момент інерції стосовно пристрою, з яким він сполучений, з можливістю переміщення уздовж осі, паралельній осі переміщення поршня, маси з ідентичним моментом інерції, спрямованим протилежно моменту

Ш- інерції маси поршня. Момент інерції визначається добутком маси на відстань від її центру ваги до базисної сю точки. Для багатоциліндрового двигуна протилежно спрямованою масою може бути маса поршня, нормальне функціонування якого подібне функціонуванню поршня, який у цей момент зазнає балансування.

Винахід може бути використаний у традиційних поршневих двигунах внутрішнього згоряння будь-якого типу, ов Зокрема в екологічно чистих та нетоксичних двигунах з автономною камерою згоряння або розширення постійного об'єму, так само як і в компресорах чи інших машинах, в яких використані поршні. Індекс поршня

Ф) Івіс!, форми і розміри сполучних штоків можуть змінюватися в рамках обсягу захисту даного винаходу. ка Інші об'єкти, переваги та суттєві ознаки даного винаходу розкриваються в описанні прикладів здійснення винаходу з посиланнями на додані до опису креслення, на яких: во на фіг.1 схематично подано поперечний переріз одного з прикладів динаміки керування рухом поршня відповідно до даного винаходу; на фіг2 подана крива переміщення поршня відповідно до даного винаходу у порівнянні з кривою переміщення традиційного поршня; на фіг.3 подано пристрій відповідно до даного винаходу, обладнаний балансувальним пристроєм, в якому 65 Використана маса з ідентичним моментом інерції; на фіг.4 подано пристрій відповідно до даного винаходу, обладнаний балансувальним пристроєм, в якому використано поршень, принцип роботи якого заснований на протидії.

На фіг.1 схематично подано поперечний переріз пристрою за даним винаходом, призначеного для здійснення даного винаходу, в якому поршень 1 (показаний у вищій мертвій точці), що переміщається в циліндрі 2, управляється важільним пристроєм регулювання тиску. Поршень 1 за допомогою осі приєднаний до вільного кінця ТА важільного пристрою регулювання тиску, що складається з маніпулятора З, шарнірно приєднаного до осі 5, яка належить також й іншому маніпулятору 4, жорстко приєднаному до шарніра на стаціонарній осі 6.

Приєднаний до осі 5, спільної для обох маніпуляторів З і 4, керуючий сполучний шток 7 приєднаний до поршневого пальця 8 колінчастого вала 9, встановленого з можливістю повороту на осі 10. При повороті 7/0 Колінчастого вала керуючий сполучний шток 7 діє на вісь 5, спільну для обох маніпуляторів З і 4 важільного пристрою регулювання тиску, забезпечуючи таким чином переміщення поршня 1 уздовж осі циліндра 2, і як результат, передає на колінчастий вал 9 зусилля, що діють на поршень 1 під час робочого ходу, ініціюючи його поворот. Стаціонарна вісь 6 зміщена убік від осі переміщення поршня 1 і визначає кут А між віссю переміщення поршня та віссю вирівнювання Х'Х обох маніпуляторів З і 4, коли їхні осі становлять одну лінію, будучи /5 продовженням одна одної, тобто коли вони знаходяться у вирівняному положенні. Колінчастий вал зміщений убік від осі циліндра і/або важільного пристрою регулювання тиску, а його положенням визначається кут В між керуючим сполучним штоком 7 і віссю вирівнювання Х'Х обох маніпуляторів З і 4, коли вони знаходяться у вирівняному положенні. Змінюючи величину кутів А і В, а також довжину сполучних штоків та маніпуляторів, змінюють динамічні характеристики складального вузла з метою одержання кривої переміщення поршня 1, яка була 6 асиметричною і визначала б кут повороту колінчастого вала, при якому поршень утримується у стані очікування (у нерухомому стані) в зоні верхньої мертвої точки.

В результаті використання прикладу здійснення пристрою за винаходом поршень описує криву, показану на фіг.2 з наступними розмірами та положеннями: ! ! с радіус колінчастого вала 32,8мм довжина керуючого сполучного штока 7 99,7бмм (о) довжина маніпулятора З поршня /124мм довжина нижнього маніпулятора 4 128мм кутА 21А7 со тв 29,67 ку "а

Розглядаючи фіг.2, можна дійти висновку, що при такій конфігурації, яка подана на кривій 11, поршень Ф залишається в зоні верхньої мертвої точки, обумовленої величиною кута 70", тоді як крива переміщення поршня з традиційною системою 12 сполучного штока/кривошипа з ідентичним ходом показує, що поршень зупиняється (о) тільки в одній точці (верхній мертвій точці). «

Спеціаліст, обізнаний у даній галузі техніки, спроможний обрати тривалість періоду часу, протягом якого поршень може залишатися нерухомим в зоні верхньої мертвої точки, щоб відповідати встановленим робочим параметрам: періоду згоряння палива, тривалості передачі потужності і т.п. без зміни суті даного винаходу.

Даний рухомий вузол у зборі піддається балансуванню відповідно до винаходу фіг.3 шляхом відтягування « 20 нижнього маніпулятора 4 за від його стаціонарного кінця або шарніра 6 за допомогою виконаного у дзеркальному з відображенні важільного пристрою регулювання тиску, що складається з 2 маніпуляторів 4А і ЗА, шарнірно с сполучених із спільною віссю 5А, до вільного кінця 18 яких приєднана маса 15, що переміщається уздовж осі, :з» паралельної осі переміщення поршня 1. Маніпулятор 4а, що є продовженням нижнього маніпулятора 4, по суті являє собою ідентичну деталь. Стосовно осі шарніра Є момент інерції маніпуляторів 4 і 4А ідентичний, те ж саме можна сказати й щодо моментів інерції маніпуляторів З і ЗА, а також моментів інерції поршня 1 та їх но зрівноважувальної маси 15. Отже, система важільного пристрою регулювання тиску успішно зрівноважується у той момент, коли керуючий сполучний шток 7 і колінчастий вал у зборі піддаються балансуванню традиційним (се) способом. Така схема розташування компонентів особливо доцільна при балансуванні одноциліндрових двигунів с або несиметричних багатоциліндрових складань.

У випадку використання симетричного багатоциліндрового складання, зображеного на фіг.4, -і зрівноважувальна маса показана протидіючим поршнем 1С, що переміщається уздовж осі, паралельної осі сю» переміщення поршня 1, при цьому поршні зрівноважують один одного. Маніпулятори ЗА і 4А симетричні маніпуляторам З і 4 і також зрівноважують один одного.

Обсяг захисту даного винаходу не обмежується прикладами здійснення, поданими в наведених кресленнях та в описі. Кути А і В можуть бути як позитивними, так і негативними разом чи окремо, або не одночасно нульовими. Число циліндрів може бути парним або непарним. Спосіб зупинки поршня та утримування його у

ГФ) стані очікування в зоні верхньої мертвої точки може здійснюватися іншими засобами, наприклад, за допомогою з кулачків або шестерень, чи будь-якими іншими пристроями, але не виходячи за рамки обсягу захисту описаного винаходу.

Claims (9)

Формула винаходу

1. Спосіб керування рухом поршня машини або компресора, або екологічно чистого двигуна, або двигуна, що характеризується пониженою токсичністю, який відрізняється тим, що рух поршня зупиняють, а сам поршень бо утримують в зоні верхньої мертвої точки у стані очікування протягом періоду часу, який дозволяє здійснити, у межах постійного об'єму, дії, при яких: - виконують операції запалювання та спалювання у двигунах з керованим процесом запалення, - виконують операції вприскування палива у дизельних двигунах, - виконують операції переміщення газу і/або стиснутого повітря у двигунах з автономною камерою згоряння і/або розширення, - виконують операції завершення вихлопу, початку впуску для всіх типів двигунів та компресорів.

2. Спосіб керування рухом поршня за п. 1 у двигуні з автономною камерою згоряння і/або розширення, який відрізняється тим, що операції переміщення газу з камери згоряння і/або розширення в розширювальну /о камеру для зниження тиску здійснюють у той період часу, коли поршень утримують в зоні верхньої мертвої точки у стані очікування, в результаті чого стабілізують тиск в розширювальній камері для зниження тиску до того, як створять умови для початку ходу поршня униз, беручи до уваги, що хід поршня униз тягне за собою збільшення об'єму, яке негативно позначається на підтриманні заданої величини тиску.

3. Спосіб керування рухом поршня за п. 1 у двигуні внутрішнього згоряння з керованим процесом запалення, який відрізняється тим, що операції запалювання і спалювання газоподібної суміші здійснюють у той період часу, коли поршень утримують в зоні верхньої мертвої точки у стані очікування, в результаті чого, з одного боку, виключають протитиск, що виникає через раннє запалення до досягнення зони верхньої мертвої точки, а, з іншого боку, забезпечують можливість спалювання суміші протягом тривалого періоду часу, чим створюють умови для більш повного згоряння суміші.

4. Спосіб керування рухом поршня за п. 1 у двигуні дизельного типу, який відрізняється тим, що вприскування палива, що забезпечує згоряння, здійснюють у той період часу, коли поршень утримують в зоні верхньої мертвої точки у стані очікування, в результаті чого виключають протитиск через підвищення тиску, що виникає в результаті запалювання дизельного палива у тому випадку, якщо його вприскування виконують до досягнення поршнем зони верхньої мертвої точки. сч

5. Спосіб керування рухом поршня за пп. 1-3, який відрізняється тим, що операції закриття вихлопного пристрою і/або відкривання вхідного пристрою здійснюють протягом щонайменше частини того періоду часу, і) протягом якого поршень утримують в зоні верхньої мертвої точки у стані очікування.

6. Пристрій для здійснення способу за пп. 1-5, який відрізняється тим, що переміщення поршня управляється важільним пристроєм регулювання тиску, що складається з першого маніпулятора і другого маніпулятора, які со зо шарнірно сполучені один з одним за допомогою спільної рухомої осі, при цьому другий маніпулятор встановлюється таким чином, що виконує коливальний рух відносно стаціонарної осі, розташованої окремо від - рухомої осі, спільної для обох маніпуляторів, а перший маніпулятор має вільний кінець, протилежний своєму Ге! кінцю, шарнірно приєднаному до спільної рухомої осі, який сполучений з поршневим пальцем поршня, що переміщається уздовж осі циліндра, коли сила діє на рухому вісь, спільну для обох маніпуляторів важільного ме) з5 пристрою регулювання тиску, причому дана сила передається керуючим сполучним штоком, який приєднує «г рухому вісь, спільну для обох маніпуляторів важільного пристрою регулювання тиску, до поршневого пальця колінчастого вала, розташованого осторонь від осі переміщення поршня, при цьому керуючий сполучний шток забезпечує поворот колінчастого вала при дії сил на поршень, наприклад, під час робочого ходу, крім того, зазначений пристрій відрізняється тим, що коли маніпулятори важільного пристрою регулювання тиску вирівняні « по осі вирівнювання, положення стаціонарної осі, стосовно якої здійснює коливальний рух другий маніпулятор, з с визначає кут А між віссю вирівнювання та віссю переміщення поршня в циліндрі, а зміщене убік розташування осі повороту колінчастого вала визначає інший кут В між керуючим сполучним штоком і віссю вирівнювання обох ;» маніпуляторів важільного пристрою регулювання тиску, при цьому утворені таким чином кути характеризуються як позитивні кути, негативні кути або, не одночасно, нульові кути.

7. Пристрій за п. б, який відрізняється тим, що варіанти величин кутів, сформованих, з одного боку, між їх віссю вирівнювання обох маніпуляторів важільного пристрою регулювання тиску та віссю переміщення поршня, а, з іншого боку, між віссю вирівнювання обох маніпуляторів важільного пристрою регулювання тиску та і, керуючим сполучним штоком, варіанти довжин керуючого сполучного штока та обох маніпуляторів важільного со пристрою регулювання тиску обумовлюють динамічні характеристики пристрою і визначають кут повороту Колінчастого вала, у межах якого поршень залишається нерухомим у стані очікування, знаходячись в зоні Ш- верхньої мертвої точки. 4)

8. Пристрій за пп. 6-7, який відрізняється тим, що для балансування перший маніпулятор важільного пристрою регулювання тиску встановлюють у положення, відтягнуте від стаціонарної осі шарніра, чим забезпечують формування першого маніпулятора іншого важільного пристрою регулювання тиску, що являє в собою дзеркальне відображення конструкції зазначеного раніше важільного пристрою регулювання тиску та сформованого за допомогою першого маніпулятора і другого маніпулятора, які шарнірно з'єднують із спільною (Ф, рухомою віссю, при цьому вільний кінець другого маніпулятора оснащують масою, яка переміщається уздовж ка осі, паралельної осі переміщення поршня, таким чином, що стосовно згаданої стаціонарної осі шарніра момент інерції других маніпуляторів, шарнірно приєднаних до стаціонарної осі, рухомих осей, спільних для бо маніпуляторів важільних пристроїв регулювання тиску, і других маніпуляторів, приєднаних до поршня та маси, а також момент інерції поршня і момент інерції маси ідентичні один одному.

9. Пристрій за п. 8, який відрізняється тим, що як зрівноважувальну масу використовують протидіючий поршень, вага, момент інерції та принцип дії якого ідентичні вазі, моменту інерції та принципу дії основного поршня. б5