Способ реверсирования вращения коленчатого вала однотактного двигателя с внешней камерой сгорания



Способ реверсирования вращения коленчатого вала однотактного двигателя с внешней камерой сгорания
Способ реверсирования вращения коленчатого вала однотактного двигателя с внешней камерой сгорания

 


Владельцы патента RU 2538429:

Рыбаков Анатолий Александрович (RU)

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), в частности к способам их реверсирования. Техническим результатом является повышение эффективности управления двигателем. Сущность изобретения заключается в том, что система управления отслеживает мгновенное положение поршней в цилиндре двигателя и открывает тот впускной клапан, при открытом положении которого продукты сгорания из внешней камеры сгорания поступают в рабочую полость того поршня, в которой энергия поступающих из внешней камеры сгорания расширяющихся продуктов сгорания приводит в движение поршень. Кинетическая энергия этого поршня через соединенный с поршнями шток и сочлененный со штоком шатун передается коленчатому валу двигателя при положении коленчатого вала, обеспечивающего его вращение в задаваемом направлении. 2 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области энергомашиностроения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Ближайший аналог заявленного изобретения - патент 2324060 «Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя с двумя поршнями привода компрессора». Принцип его действия состоит в следующем. При пуске свободнопоршневого генератора газов в камеру сгорания 1 форсункой 2 подается топливо и воспламеняется свечой 3 (фиг.1). Продукты сгорания через открытый газораспределительный клапан 4 поступают в левую полость поршня привода компрессора 5, в результате чего поршень привода компрессора 5 и соединенные с ним штоком 6 поршень компрессора 7 и поршень привода компрессора 8 начинают движение слева направо (по рисунку). Воздух из правой полости поршня привода компрессора 5 через обратный клапан 9 вытекает в атмосферу, а через обратный клапан 10 в левую полость поршня компрессора 7 засасывается воздух из атмосферы. Одновременно через обратный клапан 11 из правой полости поршня компрессора 7 воздух подается в камеру сгорания 1, пополняя расход кислорода в процессе горения топлива. Открытый газораспределительный клапан 12 позволяет воздуху свободно вытекать из правой полости поршня привода компрессора 8, не оказывая сопротивления движению поршней, а через обратный клапан 13 в левую полость поршня привода компрессора 8 засасывается воздух из атмосферы. При достижении поршнями окрестностей крайнего правого положения система управления (на фигуре не показана) переводит газораспределительные клапаны 4 и 12 в правое положение. Теперь газы из камеры сгорания 1 через открывшийся газораспределительный клапан 12 поступают в правую полость поршня привода компрессора 8, в результате чего поршни останавливаются, а затем начинают движение справа налево. Все остальные воздухораспределительные клапаны переходят в противоположное положение. Отработавшие газы из левой полости поршня привода компрессора 5 через открывшийся газораспределительный клапан 4 вытекают в атмосферу, а воздух из атмосферы через обратный клапан 14 засасывается в правую полость поршня привода компрессора 5. Воздух из левой полости поршня компрессора 7 через обратный клапан 15 подается в камеру сгорания 1, а воздух из атмосферы через обратный клапан 16 засасывается в правую полость поршня 7. Воздух из левой полости поршня привода компрессора 8 через обратный клапан 17 выбрасывается в атмосферу. В дальнейшем система управления, переводя газораспределительные клапаны 4 и 12 из одного крайнего положения в другое, обеспечивает подачу воздуха в камеру сгорания 1. При достижении рабочего давления газов в камере сгорания 1 открывается заслонка 18 и генерируемые газы через распределительный коллектор 19 поступают в тяговую расширительную машину. Управление текущей мощностью двигателя осуществляется изменением интенсивности подачи топлива в камеру сгорания.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель заявленного изобретения состоит в том, чтобы обеспечить реверсирование вращения коленчатого вала однотактного двигателя с внешней камерой сгорания

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сущность заявленного изобретения поясняется на примере однотактного двигателя с внешней камерой сгорания и кривошипно-шатунным механизмом (далее - однотактный двигатель) в одноцилиндровом исполнении. Действует он следующим образом. При пуске двигателя система управления подает во внешнюю камеру сгорания 1 форсункой 2 дозу топлива и воспламеняет его свечой зажигания 3 (фиг.2). Топливо горит, и, если поршни 4 и 5 находятся в положении, как показано на фигуре, продукты сгорания из внешней камеры сгорания 1 по трубопроводу 6 через открытый впускной клапан 7 поступают в нижнюю (по рисунку) рабочую полость поршня 4. Под воздействием поступающих в нижнюю рабочую полость поршня 4 продуктов сгорания поршень 4, штоки 8, 9 и поршень 5 начинают движение вверх. Поскольку нижняя площадь поверхности поршня 4 больше его верхней площади поверхности на разность площадей поперечного сечения штоков 8 и 9, то давление сжимаемого в верхней компрессорной полости поршня 4 воздуха больше давления продуктов сгорания в его нижней полости. Поэтому воздух из верхней компрессорной полости поршня 4 через обратный клапан 10 поступает во внешнюю камеру сгорания 1, поддерживая в ней процесс горения периодически подаваемого форсункой 2 топлива. В нижнюю компрессорную полость поршня 5 через обратный клапан 11 засасывается воздух из атмосферы, а из верхней рабочей полости поршня 5 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) через выпускной клапан 12 выбрасывается в атмосферу. Таким образом, энергия продуктов сгорания через шток 9 и шатун 13 передается коленвалу 14. По прибытию поршней 4 и 5 в окрестности верхней мертвой точки система управления переводит впускной клапан 7 и выпускной клапан 12 в закрытое, а впускной клапан 15 и выпускной клапан 16 - в открытое положение. Теперь продукты сгорания из внешней камеры сгорания 1 по трубопроводу 17 через впускной клапан 15 поступают в верхнюю рабочую полость поршня 5. Поршни 4 и 5 начинают движение вниз, и коленвал двигателя 14 продолжает вращение в прежнем направлении. Сжимаемый в нижней компрессорной полости поршня 5 воздух через обратный клапан 18 поступает во внешнюю камеру сгорания 1, обеспечивая горение периодически подаваемого форсункой 2 топлива. В верхнюю компрессорную полость поршня 4 через обратный клапан 19 засасывается воздух из атмосферы, а из его нижней рабочей полости отработавшие продукты сгорания через выпускной клапан 16 выбрасываются в атмосферу.

Как видно из пояснения принципа действия двигателя, расширение продуктов сгорания в основном происходит только при выбросе их из цилиндра в конце движения поршней, не производя никакой полезной работы. Увеличение эффективности расширения продуктов сгорания в цилиндре во всем диапазоне нагрузок на двигатель осуществляется следующим образом. По аналогии с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) цилиндр однотактного двигателя можно представить условно разделенным на два объема. Первый соответствует камере сгорания ДВС - виртуальная камера сгорания. Остальной объем цилиндра, по сути дела, как и в ДВС, - виртуальный рабочий объем. Например, для начала движения поршней 4 и 5 из нижнего положения в верхнее система управления открывает впускной клапан 7 и продукты сгорания поступают из камеры сгорания 1 в виртуальную камеру сгорания цилиндра (часть нижней рабочей полости поршня 4 от его начала движения). Температура и давление поступающих в виртуальную камеру сгорания цилиндра при этом практически равна таковым в камере сгорания 1. Поршни начинают движение снизу вверх, и, когда пройдут соответствующий виртуальной камере сгорания путь, система управления закрывает впускной клапан 7. Доступ продуктов сгорания в цилиндр прекращается, и начинается процесс их расширения во всей нижней рабочей полости поршня 4 - в виртуальной камере сгорания и в виртуальном рабочем объеме цилиндра. Одновременно система управления отслеживает текущие значения скорости поршней 4 и 5, давления продуктов сгорания в камере сгорания 1, в нижней рабочей полости поршня 4 и давления сжимаемого в его верхней компрессорной полости воздуха. В соответствии с этими значениями система управления определяет момент времени открытия перепускного клапана 20, обеспечивающего максимальное расширение продуктов сгорания в нижней рабочей полости поршня 4 к моменту прибытия поршней 4 и 5 в верхнюю мертвую точку, и переводит в этот момент времени перепускной клапан 20 в открытое положение. В результате сжатый в верхней компрессорной полости поршня 4 воздух через перепускной клапан 20 перетекает в нижнюю компрессорную полость поршня 5. Противодействие воздуха в нижней рабочей полости поршня 4 движению поршней резко уменьшается. К этому моменту в нижнюю компрессорную полость поршня 5 уже поступило некоторое количество воздуха из атмосферы. Поступающий туда же через перепускной клапан 20 до определенной степени сжатый в верхней компрессорной полости поршня 4 воздух дополнительно заряжает нижнюю компрессорную полость поршня 5, и засасывание воздуха из атмосферы через обратный клапан 11 прекращается. При этом энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха на данной фазе такта, также вместе с воздухом перебрасывается туда же. При этом поступающий сжатый воздух, расширяясь, сообщает дополнительный импульс кинетической энергии поршням 4 и 5. Энергия на преодоление динамического сопротивления в клапане 11 переносятся на клапан 19. То есть моменты времени открытия и закрытия впускного клапана 7 и перепускного клапана 20 система управления определяет таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность процесса расширения продуктов сгорания.

Управление рециркуляцией выхлопных газов на всех режимах работы положительно влияет на экономические и экологические характеристики двигателя. Для обеспечения рециркуляции выхлопных газов в цилиндр двигателя с целью оптимизации процесса сгорания топлива во всем диапазоне нагрузок на двигатель, система управления для каждого такта определяет соответствующие задаваемой мощности моменты времени закрытия и открытия газораспределительных клапанов массу выхлопных газов для ввода их в компрессорные полости поршней 4 и 5. При движении поршней 4 и 5 из нижней крайней точки в верхнюю крайнюю точку отработавшие продукты сгорания из верхней рабочей полости поршня 5 через выпускной клапан 12 выбрасываются в атмосферу. В заранее определенный системой управления момент времени система управления закрывает выпускной клапан 12 и открывает перепускной клапан 21. Оставшаяся в верхней рабочей полости поршня 5 часть выхлопных газов через перепускной клапан 21 перетекает в нижнюю компрессорную полость поршня 5 и смешивается там с всасываемым через обратный клапан 11 атмосферным воздухом. При последующем движении поршней 4 и 5 из верхней крайней точки в нижнюю смесь выхлопных газов с воздухом через обратный клапан 18 поступает во внешнюю камеру сгорания 1. Одновременно в заранее определенный системой управления момент времени система управления закрывает выпускной клапан 16 и открывает перепускной клапан 22. Оставшаяся в нижней рабочей полости поршня 4 часть выхлопных газов через перепускной клапан 22 перетекает в верхнюю компрессорную полость поршня 5 и там смешивается с всасываемым через обратный клапан 19 воздухом, поле чего смесь выхлопных газов с воздухом через обратный клапан 10 поступает во внешнюю камеру сгорания 1.

Реверсирование вращения коленвала однотактного двигателя осуществляется следующим образом. Если перед пуском однотактного двигателя в одноцилиндровом исполнении поршни 4 и 5 находятся в верхней или нижней мертвой точках, то коленвал 14 и шатун 13 окажутся в положении неустойчивого равновесия. Следовательно, и направление вращения коленвала при пуске окажется стохастичным, непредсказуемым. Задание направления вращения коленвала 14 в этом случае осуществляется следующим образом. Система управления механизмом сцепления соединяет стартер с коленвалом двигателя, проворачивает его и разъединяет их валы. Цель предпусковой операции - вывести коленвал 14 и шатун 13 из положения неустойчивого равновесия. В дальнейшем система управления форсункой 2 подает топливо в камеру сгорания 1 и воспламеняет его свечой зажигания 3. Одновременно система управления определяет мгновенное положение поршней 4 и 5 и коленвала 14. Затем открывает впускной клапан 7 или 15 в зависимости от того, в каком направлении задается вращение коленвала 14. Если угол поворота коленвала относительно штока 9 менее прямого угла и обеспечивает вращение коленвала в задаваемом направлении при движении поршней 4 и 5 из нижней крайней точки в верхнюю точку, система управления открывает впускной клапан 7. В противном случае система управления открывает впускной клапан 15. В обоих случаях поступающие в рабочие полости поршней продукты сгорания через поршни 4, 5, штоки 8, 9 и шатун 13 вращают коленвал 14 в заданном направлении. Однотактный двигатель с двумя и более цилиндрами не нуждается в стартере. В многоцилиндровом исполнении двигателя, как минимум, в одном из цилиндров всегда окажется такой, в котором поршни находятся в положении, при поступлении продуктов сгорания в рабочие полости которых обеспечивается вращение коленвала двигателя в любом задаваемом направлении.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ реверсирования вращения коленчатого вала однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, включающего систему управления, цилиндр с поршнями и впускными клапанами, внешнюю камеру сгорания, шток поршней, шатун и коленчатый вал, отличающийся тем, что для реверсирования вращения коленчатого вала однотактного двигателя с внешней камерой сгорания в задаваемом направлении вращения система управления отслеживает мгновенное положение поршней в цилиндре однотактного двигателя с внешней камерой сгорания и открывает тот впускной клапан, при открытом положении которого продукты сгорания из внешней камеры сгорания однотактного двигателя с внешней камерой сгорания поступают в рабочую полость того поршня, в которой энергия поступающих из внешней камеры сгорания однотактного двигателя с внешней камерой сгорания расширяющихся продуктов сгорания приводит в движение поршень, кинетическая энергия которого через соединенный с поршнями шток и сочлененный со штоком шатун передается коленчатому валу однотактного двигателя с внешней камерой сгорания при положении коленчатого вала однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, обеспечивающего вращение коленчатого вала однотактного двигателя с внешней камерой сгорания в задаваемом направлении.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Затраты на НИОКР заявленного изобретения не могут значительно отличаться от таковых при проектировании и отработке классических ДВС. При современном состоянии развития электроники создание автоматической системы управления вполне ординарная задача.

ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Фиг.1. Схема свободнопоршневого генератора газов прямоточного двигателя с двумя поршнями привода компрессора: 1 - камера сгорания; 2 - форсунка; 3 - свеча зажигания; 4, 12 -газораспределительный клапан; 5, 8 - поршень привода компрессора; 6 - шток; 7 - поршень компрессора; 9, 10, 11, 13, 14, 15, 16, 17 - обратный клапан; 18 - заслонка; 19 - распределительный коллектор.

Фиг.2. Принципиальная схема однотактного двигателя с внешней камерой сгорания: 1 - внешняя камера сгорания; 2 - форсунка; 3 - свеча зажигания; 4, 5 - поршень двигателя; 6, 17 - трубопровод; 7, 15 - впускной клапан; 8, 9 - шток; 10, 11, 18, 19 - обратный клапан; 12, 16 - выпускной клапан; 13 - шатун; 14 - коленвал двигателя; 20, 21, 22 - перепускной клапан.

Способ реверсирования вращения коленчатого вала однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, включающего систему управления, цилиндр с поршнями и впускными клапанами, внешнюю камеру сгорания, шток поршней, шатун и коленчатый вал, отличающийся тем, что для реверсирования вращения коленчатого вала однотактного двигателя с внешней камерой сгорания в задаваемом направлении вращения система управления отслеживает мгновенное положение поршней в цилиндре однотактного двигателя с внешней камерой сгорания и открывает тот впускной клапан, при открытом положении которого продукты сгорания из внешней камеры сгорания однотактного двигателя с внешней камерой сгорания поступают в рабочую полость того поршня, в которой энергия поступающих из внешней камеры сгорания однотактного двигателя с внешней камерой сгорания расширяющихся продуктов сгорания приводит в движение поршень, кинетическая энергия которого через соединенный с поршнями шток и сочлененный со штоком шатун передается коленчатому валу однотактного двигателя с внешней камерой сгорания при положении коленчатого вала однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, обеспечивающего вращение коленчатого вала однотактного двигателя с внешней камерой сгорания в задаваемом направлении.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области управления двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является повышение эффективности управления при реверсировании ДВС.

Изобретение относится к автоматизации процессов управления реверсивных двигателей и позволяет упростить систему за счет конструктивного упрощения отсечного устройства пускового воздуха и возможности использования одного вида питания (пневматического).

Изобретение относится к автоматизации судовых дизелей и позволяет повысить надежность реверса дизеля в условиях периодически меняющихся нагрузок. .

Изобретение относится к двигателестроению. .

Изобретение относится к области управления двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является повышение эффективности управления при реверсировании ДВС.

Изобретение относится к системам приводов, в частности газораспределительных клапанов и форсунок. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) за счет регулирования газораспределения.

Изобретение относится к области гидроприводов, в частности органов газораспределения. Техническим результатом является унификация привода для управления одним рабочим телом клапанов и топливной форсунки.

Изобретение относится к области пневматических приводов газораспределительных клапанов и топливных форсунок в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является упрощение конструкции.

Изобретение относится к области газораспределения в двигателях внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение ресурса.

Изобретение относится к пневмоприводам клапанов газораспределения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и топливных форсунок. Техническим результатом является повышение степени унификации приводов в ДВС.

Изобретение относится к области газораспределения двигателей внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение степени унификации приводов различных типов ДВС.

Изобретение относится к системам пневматического привода клапанов, в частности газораспределения двигателей. Техническим результатом является упрощение конструкции.

Изобретение может быть использовано в газораспределительных механизмах двигателей внутреннего сгорания. Газораспределительный механизм двигателя внутреннего сгорания с гидравлическим приводом содержит впускные и выпускные тарельчатые клапаны (2) и (3), соединяющие и разъединяющие впускные и выпускные каналы (9) и (10) с камерой сгорания двигателя, плунжерные втулки (14) и (15) тарельчатых клапанов с плунжерами тарельчатых клапанов, гидропривод с кулачковым валом, содержащим кулачки, управляющие впускными и выпускными тарельчатыми клапанами (2) и (3), и с плунжерами.

Поршневая расширительная машина предназначена для использования в энергомашиностроении в качестве пневматического или газового двигателя, например в горной, химической и нефтехимической промышленности.

Изобретение может быть использовано в поршневом двигателе. Устройство управления для газового обмена в поршневом двигателе имеет кулачковое устройство кулачкового вала двигателя, взаимодействующее с впускным клапанным механизмом для открывания и закрывания впускного клапана цилиндра двигателя. Устройство управления содержит часть (8) корпуса, в котором размещено с возможностью перемещения поршневое устройство (9), соединенное с кулачковым устройством и клапанным механизмом. Направляющий элемент (10) размещен в части (8) корпуса между кулачковым устройством и поршневым устройством (9) с возможностью перемещения в ответ на перемещения кулачкового устройства. Устройство управления включает средства для регулирования времени открывания впускного клапана. Направляющий элемент (10) снабжен вспомогательным поршнем (13), размещенным с возможностью перемещения между направляющим элементом (10) и поршневым устройством (9) и вместе с направляющим элементом (10), определяющим камеру (14). Часть (8) корпуса снабжена впускным каналом (15) и выпускным каналом (17), разнесенными на расстоянии вдоль перемещения направляющего элемента (10) и размещенными, в свою очередь, в сообщении с указанной камерой (14) через тракт, выполненный в направляющем элементе (10) так, что для выбора увеличенного времени открывания впускного клапана, камера (14) наполняется гидравлической средой посредством впускного канала (15) во время закрывания впускного клапана, чтобы вызывать относительное перемещение вспомогательного поршня (13) по направлению к поршневому устройству (9). При этом гидравлическая среда выпускается из камеры (14) во время смещающего перемещения впускного клапана посредством выпускного канала (17). В результате чего смещение впускного клапана в пиковой фазе открывания впускного клапана остается, по существу, неизменным. Технический результат заключается в улучшении газообмена цилиндра. 4 з.п. ф-лы, 15 ил.
Наверх