СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОРШНЕВОЙ МАШИНОЙ С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ХОДА ПОРШНЯ И ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1998 года по МПК F01B31/14 F02D15/02 F02B75/04 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к поршневым машинам, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания с регулированием хода поршня и способам управления ими, а также может найти применение в газовых и жидкостных насосах.

Известен способ управления поршневой машиной, а именно двигателем внутреннего сгорания, заключающийся в изменении положений мертвых точек и хода поршня, возвратно-поступательно движущегося в цилиндре двигателя, путем смещения шарнира сочлененного шатуна, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращение выходного вала, в сторону от оси цилиндра и возврата шарнира к оси цилиндра под действием рычага, одним концом воздействующего на шарнир сочлененного шатуна, а другим - взаимодействующего с приводом, перемещающим ось качания рычага (см. заявку ФРГ N 3107244, кл. F 02 D 15/02, 1982).

Из указанного источника известен и двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, сочлененный шатун, выполненный из двух соединенных между собой шарниром частей, первая из которых связана с поршнем, а вторая - с выходным валом, рычаг, связанный одним концом с шарниром сочлененного шатуна, а другим - с приводом, выполненным с возможностью перемещения оси качания рычага, причем шарнир сочлененного шатуна выполнен с возможностью смещения от оси цилиндра и возврата к оси цилиндра под действием рычага и привода.

Однако известное техническое решение характеризуется недостаточно эффективным регулированием хода поршня и рабочего объема двигателя, что снижает эффективность его работы.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы поршневой машины.

Поставленная задача в части способа решается тем, что в способе управления поршневой машиной, заключающемся в изменении положений мертвых точек и хода поршня, возвратно-поступательно движущегося в цилиндре поршневой машины, путем смещения шарнира сочлененного шатуна, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращение выходного вала, в сторону от оси цилиндра и возврата шарнира к оси цилиндра под действием рычага, одним концом воздействующего на шарнир сочлененного шатуна, а другим - взаимодействующего с приводом, перемещающим ось качания рычага, согласно изобретению ось качания рычага при помощи реверсивного элемента перемещают приводом по прямой линии, пересекающей ось цилиндра, причем изменение положений мертвых точек и хода поршня осуществляют при его движении от мертвой точки с фиксированным положением оси качания рычага путем ее перемещения по прямой линии и последующей ее фиксации.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что поршень останавливают в мертвых точках путем смещения шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра при повороте кривошипа выходного вала на участке от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ) и возврата шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра при повороте кривошипа выходного вала на участке от ВМТ к НМТ.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что скорость поршня увеличивают путем смещения шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра при движении поршня от ВМТ к НМТ и возврата шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра при движении поршня от НМТ к ВМТ.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что скорость поршня уменьшают путем смещения шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра при движении поршня от НМТ к ВМТ и возврата шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра при движении поршня от ВМТ к НМТ.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что в случае использования поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания изменяют степень сжатия за счет того, что такты впуска и сжатия осуществляют с различными величинами хода поршня.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что в случае использования поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания такт рабочего хода осуществляют с большей величиной хода поршня, чем такты впуска и сжатия.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что вращение выходного вала останавливают, а движение поршня осуществляют за счет перемещения оси качания рычага.

Поставленная задача в части поршневой машины решается тем, что в поршневой машине, содержащей корпус, по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, сочлененный шатун, выполненный из двух соединенных между собой шарниром частей, первая из которых связана с поршнем, а вторая - с выходным валом, рычаг, связанный одним концом с шарниром сочлененного шатуна, а другим - с приводом, выполненным с возможностью перемещения оси качания рычага, причем шарнир сочлененного шатуна выполнен с возможностью смещения от оси цилиндра и возврата к оси цилиндра под действием рычага и привода, согласно изобретению ось качания рычага связана с приводом через реверсивный элемент с возможностью ее перемещения по прямой линии, пересекающей ось цилиндра.

Поставленная задача в части машины решается также тем, что выходной вал может быть выполнен в виде коленчатого вала, ось вращения которого перпендикулярна оси цилиндра, а вторая часть шатуна связана с шатунной шейкой коленчатого вала.

Поставленная задача в части машины решается также тем, что в варианте выходной вал может быть выполнен в виде коленчатого вала, ось вращения которого параллельна оси цилиндра, а вторая часть шатуна связана с качающейся шайбой, размещенной на косом кривошипе коленчатого вала.

На фиг. 1 представлен общий вид поршневой машины с коленчатым валом, ось вращения которого перпендикулярна оси цилиндра; на фиг. 2 - кинематическая схема поршневой машины с коленчатым валом, ось вращения которого перпендикулярна оси цилиндра; на фиг. 3 - кинематическая схема поршневой машины с коленчатым валом, ось вращения которого параллельна оси цилиндра, и качающейся шайбой; на фиг. 4 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при остановке поршня; на фиг. 5 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при увеличенной величине хода поршня от ВМТ к НМТ; на фиг.6 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при увеличенной величине хода поршня от НМТ к ВМТ; на фиг. 7 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при стандартной величине хода поршня; на фиг. 8 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при величине хода поршня, равной 1,5 стандартным величинам хода поршня; на фиг. 9 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при величине хода поршня, равной 2,0 стандартным величинам хода поршня; на фиг. 10 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при остановке коленчатого вала и движении поршня за счет перемещения оси качания рычага; на фиг. 11 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при увеличении скорости поршня; на фиг. 12 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при уменьшении скорости поршня; на фиг. 13 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при изменении степени сжатия.

Предлагаемая поршневая машина содержит корпус 1, по меньшей мере один цилиндр 2 с головкой 3 и размещенным в нем поршнем 4, сочлененный шатун 5, выполненный из двух соединенных между собой шарниром 6 частей 7 и 8, первая 7 из которых связана с поршнем 4, а вторая 8 - с выходным валом 9, рычаг 10, связанный одним концом с шарниром 6 сочлененного шатуна 5, а другим концом, где расположена его ось 11 качания, - с приводом (не показан) через реверсивный элемент 12 с возможностью перемещения оси 11 качания по прямой линии Х-Х', пересекающей ось У-У' цилиндра 2, и смещения шарнира 6 сочлененного шатуна 5 от оси У-У' цилиндра 2 и возврата к ней. В случае выполнения выходного вала 9 в виде коленчатого вала ось вращения которого перпендикулярна оси У-У' цилиндра 2, вторая часть 8 шатуна 5 связана с шатунной шейкой коленчатого вала, у которого имеется маховик 13 (фиг.1,2,4-13). В варианте выходной вал 9 может быть выполнен в виде коленчатого вала, ось Z-Z' вращения которого параллельна оси У-У' 2 цилиндра (фиг.3). В этом случае вторая часть 8 шатуна 5 связана с качающейся шайбой 14, размещенной на косом кривошипе коленчатого вала. Последний вариант выполнения выходного вала 9 позволяет использовать изобретение и в аксиально-поршневых машинах.

Способ управления поршневой машиной осуществляется следующим образом.

В зависимости от требуемых условий работы поршневой машины изменяют положения мертвых точек возвратно-поступательно движущегося в цилиндре 2 поршня 4, вследствие чего изменяется величина его хода, а это позволяет регулировать рабочий объем цилиндра 2 и степень сжатия. Изменение положений мертвых точек поршня 4 осуществляют путем смещения шарнира 6 сочлененного шатуна 5, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня 4 во вращение выходного вала 9, в сторону от оси У-У' цилиндра 2 (в этом случае расстояние от положений мертвых точек поршня 4 до оси выходного вала 9 уменьшается, так как положения мертвых точек ВМТ₁ и НМТ₁ смещаются в положения ВМТ₂ и НМТ₂) и возврата шарнира 6 к оси У-У' цилиндра 2 (в этом случае расстояние от положений мертвых точек поршня 4 до оси выходного вала 9 увеличивается, так как положения мертвых точек ВМТ₂ и НМТ₂ приближаются или возвращаются к положениям ВМТ₁ и НМТ₁). Смещение шарнира 6 сочлененного шатуна 5 от оси У-У' цилиндра 2 и возврат его к оси У-У' происходит под действием рычага 10, одним концом воздействующего на шарнир 6, а другим концом, где расположена его ось 11 качания, взаимодействующего с приводом (не показан). При этом при движении поршня 4 от мертвой точки ось 11 качания рычага 10 при помощи реверсивного элемента 12 перемещают приводом по прямой линии Х-Х' от фиксированного положения, например, в точке а до последующей ее фиксации, например, в точке b. В случае необходимости увеличения величины хода поршня 4 по сравнению со стандартной величиной при его движении осуществляют перемещение оси 11 качания рычага 10 из фиксированного положения в точке а до фиксированного положения в точке d или в точке е (фиг.5,8,9). Для остановки поршня 4 в мертвых точках (фиг.4) при вращающемся выходном вале 9 ось 11 качания рычага 10 перемещают из точки b в точку а и обратно. При этом шарнир 6 сочлененного шатуна 5 смещают из точки h в точку g, т.е. возвращают к оси У-У' цилиндра 2 при повороте кривошипа выходного вала 9 на участке от ВМТ к НМТ. При повороте кривошипа выходного вала 9 на участке от НМТ к ВМТ шарнир смещают из точки g в точку h, т.е. смещают от оси У-У'. В случае использования поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания остановка поршня 4 в ВМТ позволяет осуществить сгорание топлива при постоянном объеме, что повышает полноту его сгорания и уменьшает теплоотвод в стенке цилиндра 2. Остановка поршня 4 в НМТ улучшает процессы продувки и наполнения цилиндра 2 в двухтактном двигателе. Для увеличения скорости поршня 4 шарнир 6 сочлененного шатуна 5 смещают от оси У-У', перемещая ось 11 качания рычага 10 из точки а в точку с при движении поршня 4 от ВМТ к НМТ, и возвращают к оси У-У', перемещая ось 11 качания рычага 10 из точки с в точку а при движении поршня 4 от НМТ к ВМТ (фиг.11). Для уменьшения скорости поршня 4 шарнир 6 сочлененного шатуна 5 смещают от оси У-У', перемещая ось 11 качания рычага 10 из точки а в точку с при движении поршня 4 от НМТ к ВМТ, и возвращают к оси У-У', перемещая ось 11 качания рычага 10 из точки с в точку а при движении поршня 4 от ВМТ к НМТ (фиг.12). В случае использования поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания степень сжатия изменяют за счет того, что такты впуска рабочего заряда и его сжатия осуществляют с различными величинами хода поршня 4, фиксируя ось 11 качания рычага 10 в точках а и f (фиг.13). Для осуществления более полного расширения продуктов сгорания в двигателе и тем самым получения дополнительной мощности на выходном валу 9, а также более полного сгорания топлива и снижения токсичности отработавших газов целесообразно на такте рабочего хода увеличивать величину хода поршня 4 по сравнению с величиной хода поршня 4 на тактах впуска и сжатия (фиг.8,9). В случае использования поршневой машины в качестве насоса для жидкостей или газов при остановленном выходном вале 9 движение поршня 4 осуществляют за счет перемещения оси 11 качания рычага 10, производя рабочий цикл.

Поршневая машина может быть использована в качестве двигателя внутреннего сгорания или насоса для перекачки жидкости или газа и позволяет повысить эффективность работы. В зависимости от требуемых условий работы поршневой машины изменяют положения мертвых точек возвратно-поступательно движущегося в цилиндре поршня, вследствие чего изменяется величина его хода, а это позволяет регулировать рабочий объем цилиндра и степень сжатия. Изменение положений мертвых точек поршня осуществляют путем смещения шарнира сочлененного шатуна, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращение выходного вала, в сторону от оси цилиндра и возврата шарнира к оси цилиндра. Смещение шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра и возврат его к оси цилиндра происходит под действием рычага, одним концом воздействующего на шарнир, а другим концом, где расположена его ось качания, взаимодействующего с приводом. При этом при движении поршня от мертвой точки ось качания рычага при помощи реверсивного элемента перемещают приводом по прямой линии, пересекающей ось цилиндра, от ее фиксированного положения до последующей ее фиксации. Технический результат заключается в повышении эффективности работы поршневой машины. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 13 ил.

1. Способ управления поршневой машиной, заключающийся в изменении положения мертвых точек и хода поршня, возвратно-поступательного движущегося в цилиндре поршневой машины, путем смещения шарнира сочлененного шатуна, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращение выходного вала, в сторону от оси цилиндра и возврата шарнира к оси цилиндра под действием рычага, одним концом воздействующего на шарнир сочлененного шатуна, а другим - взаимодействующего с приводом, перемещающим ось качания рычага, отличающийся тем, что ось качания рычага при помощи реверсивного элемента перемещают приводом по прямой линии, пересекающей ось цилиндра, причем изменение положений мертвых точек и хода поршня осуществляют при его движении от мертвой точки с фиксированным положением оси качания рычага путем ее перемещения по прямой линии и последующей ее фиксации. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поршень останавливают в мертвых точках на необходимое время путем смещения шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра при повороте кривошипа выходного вала на участке от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке и возврата шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра при повороте кривошипа выходного вала на участке от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость поршня увеличивают путем смещения шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке и возврата шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость поршня уменьшают путем смещения шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке и возврата шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в случае использования поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания изменяют степень сжатия за счет того, что такты впуска и сжатия осуществляют с различными величинами хода поршня. 6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что в случае использования поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания такт рабочего хода осуществляют с большей величиной хода поршня, чем такты впуска и сжатия. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что вращение выходного вала останавливают, а движение поршня осуществляют за счет перемещения оси качания рычага. 8. Поршневая машина, содержащая корпус, по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, сочлененный шатун, выполненный из двух соединенных между собой шарниром частей, первая из которых связана с поршнем, а вторая - с выходным валом, рычаг, связанный одним концом с шарниром сочлененного шатуна, а другим - с приводом, выполненным с возможностью перемещения оси качания рычага, причем шарнир сочлененного шатуна выполнен с возможностью смещения от оси цилиндра и возврата к оси цилиндра под действием рычага и привода, отличающаяся тем, что ось качания рычага связана с приводом через реверсивный элемент с возможностью ее перемещения по прямой линии, пересекающей ось цилиндра. 9. Машина по п. 8, отличающаяся тем, что выходной вал выполнен в виде коленчатого вала, ось вращения которого перпендикулярна оси цилиндра, а вторая часть шатуна связана с шатунной шейкой коленчатого вала. 10. Машина по п.8, отличающаяся тем, что выходной вал выполнен в виде коленчатого вала, ось вращения которого параллельна оси цилиндра, а вторая часть шатуна связана с качающейся шайбой, размещенной на косом кривошипе коленчатого вала.