СПОСОБ РАБОТЫ ПОРШНЕВОЙ ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК F04B39/00 

Изобретение относится к области гибридных энергетических машин поршневого типа и может быть использовано в качестве источника жидкости и газа под давлением.

Известен способ работы поршневой гибридной энергетической машины, заключающийся в попеременном сжатии в цилиндре машины и нагнетании потребителю текучей и газообразной среды (см., например, авторское свидетельство СССР №1079882 «Газораспределительное устройство поршневого компрессора», опубл. 15.03.84. Бюл. №10).

Известен также способ работы поршневой гибридной энергетической машины, заключающийся в попеременном сжатии в цилиндре машины и нагнетании потребителю текучей и газообразной среды путем попеременного соединения цилиндра с источником и потребителем текучей и газообразной среды (см. авторское свидетельство СССР №1019104 «Поршневая машина», опубл. 23.05.83. Бюл. №19).

К недостатку известных конструкций относится сильное загрязнение сжимаемого газа текучей средой (чаще всего - водой, эмульсионными растворами и маслами), а также ограниченное соотношение между объемной производительностью текучей среды и газа, которое не может существенно отличаться от 1:1.

Технической задачей изобретения является снижение относительного содержания текучей среды в сжимаемом газе и расширение диапазона соотношения между объемными производительностями машины по текучей среде и газу.

Указанная задача решается тем, что в известном способе работы поршневой гибридной энергетической машины, заключающимся в попеременном сжатии в цилиндре машины и нагнетании потребителю текучей и газообразной среды путем попеременного соединения цилиндра с источником и потребителем текучей и газообразной среды, согласно изобретению это соединение осуществляется при нахождении поршня в положении верхней мертвой точки после завершения процесса нагнетания сжимаемой среды. При этом попеременное соединение цилиндра с источником и потребителем текучей и газообразной среды может осуществляться при отношении количества ходов сжатия газообразной среды к количеству ходов сжатия текучей среды, выражающееся дробью, числитель и знаменатель которой представляют собой целые числа, например 1:3, 5:2 и т.д.

В поршневой гибридной энергетической машине для осуществления указанного способа, содержащей поршень с механизмом возвратно-поступательного движения с коленчатым валом, причем поршень размещен в цилиндре, имеющем всасывающие и нагнетательные клапаны, и золотник, имеющий корпус и цилиндрический стержень, попеременно соединяющий упомянутые клапаны с источником и потребителем газообразной и текучей среды, согласно изобретению стержень золотника имеет кинематическую связь с приводным валом. При этом кинематическая связь может быть выполнена в виде рычага, один конец которого соединен со стержнем золотника, а другой конец контактирует с кулачком, имеющим, по крайней мере, один выступ и одну впадину, и соединенным через зубчатую цилиндрическую или червячную передачу с приводным валом машины.

Один конец стержня золотника может быть соединен с якорем электромагнита, а другой подпружинен в направлении, противоположном действию электромагнита, при этом обмотки статора электромагнита соединены с источником питания через командное устройство. При этом командное устройство может быть выполнено в виде, по крайней мере, одной пары электрических контактов - подвижного и неподвижного, причем подвижный контакт имеет возможность взаимодействовать с кулачком, имеющим, по крайней мере, одну впадину и один выступ, и этот кулачок имеет кинематическую связь с коленчатым валом машины, которая может быть выполнена в виде цилиндрической или червячной зубчатой передачи. Подвижный и неподвижный контакты могут быть выполнены в виде геркона, при этом на выступе кулачка должны быть закреплены постоянные магниты.

Командное устройство может быть выполнено также в виде оптоэлектронной пары, световой поток которой взаимодействует, по крайней мере, с одним выступом кулачка, имеющего кинематическую связь с коленчатым валом машины.

Командное устройство может быть выполнено в виде двухпозиционного выключателя, рычаг управления положением которого имеет кинематическую связь со штоком поршня датчика сравнения, поршень установлен в цилиндре упомянутого датчика и делит этот цилиндр на две половины, причем одна половина цилиндра подключена к линии нагнетания текучей среды, а другая - к линии нагнетания газообразной среды, при этом контакты выключателя соединены с электрической схемой включения и выключения обмотки статора электромагнита.

Командное устройство может быть также выполнено в виде первого и второго счетчиков электрических сигналов, входы которых соединены сдатчиком положения верхней мертвой точки поршня, и к каждому из которых подключены уставки, причем второй счетчик имеет дополнительный вход, электрически связанный с контактами, установленными с возможностью их замыкания при отключении обмотки статора электромагнита, выход первого счетчика подключен к преобразователю сигнала, соединенного с контактором, соединенным с обмоткой электромагнита и с источником питания, при этом первый выход второго счетчика подключен ко второму входу первого счетчика, а второй выход подключен к преобразователю сигнала, при этом второй выход первого счетчика соединен с третьим входом второго счетчика.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены несколько вариантов конструктивного исполнения машины.

На фиг. 1, 2 и 3 схематично показано продольное (вдоль оси цилиндра) сечение машины с приводом золотника через рычаг от кулачка, соединенного с коленчатым валом через цилиндрическую зубчатую передачу.

На фиг. 4 показано аналогичное сечение машины с приводом кулачка от коленчатого вала через червячную передачу.

На фиг. 5 показано аналогичное сечение машины с золотником, управляемым подпружиненным электромагнитом, включение которого осуществляется замыканием электрических контактов, положение которых (замкнуты, разомкнуты) зависит от угла поворота кулачка, соединенного через цилиндрическую зубчатую передачу с коленчатым валом машины.

На фиг. 6, 7 и 8 показано аналогичное фиг. 5 сечение машины с золотником, управляемым подпружиненным электромагнитом, включение которого осуществляется замыканием электрических контактов геркона (замкнуты, разомкнуты), положение которых зависит от угла поворота кулачка, снабженного постоянными магнитами и соединенного через цилиндрическую (фиг. 6) и червячную (фиг. 7 и 8) зубчатую передачу с коленчатым валом машины.

На фиг. 9 показано аналогичное фиг. 6 сечение машины с золотником, управляемым оптоэлектронной парой, сигнал от которой («да», «нет») зависит от положения кулачка, соединенного с коленчатым валом через цилиндрическую зубчатую передачу.

На фиг. 10 показано сечение машины с управлением положения золотника от дифференциального подпружиненного в обе стороны поршня, к обеим полостям цилиндра, в котором установлен поршень, подведено давление газовой и текучей среды, а шток поршня соединен с выключателем, который с помощью электрической схемы производит подключение или отключение от источника питания статора золотника в зависимости от положения коленчатого вала.

На фиг. 11 показано продольное сечение машины, в которой включение или отключение статора золотника осуществляется герконом, включение и выключение контактов которого зависит от положения коленчатого вала машины.

Поршневая гибридная энергетическая машина (фиг. 1) содержит поршень 1 с механизмом 2 возвратно-поступательного движения кривошипно-шатунного типа с коленчатым валом 3, причем поршень размещен в цилиндре 4, имеющем всасывающие 5 и нагнетательные 6 клапаны, и золотник 7, имеющий корпус 8 и цилиндрический стержень 9, попеременно соединяющий упомянутые клапаны с источником и потребителем газообразной и текучей среды через линии всасывания 10 и 11 соответственно для газообразной и текучей среды, а 12 и 13 для и нагнетания соответственно газообразной и текучей среды. Стержень 9 золотника 7 имеет кинематическую связь с коленчатым валом 3, которая выполнена в виде рычага 14, один конец с вилкой 15 которого соединен со стержнем 9 золотника 7, а другой конец 16 контактирует с кулачком 17, имеющим выступ 18 и впадину 19, и соединенным болтами 20 через зубчатые колеса цилиндрической передачи 21 и 22 с коленчатым валом машины 3 (см. также фиг. 2). Рычаг 14 имеет ось поворота 23, закрепленную на кронштейне 24, и пружину растяжения 25, один конец которой закреплен на конце 16 рычага 14, а другой - на кронштейне 24. Цилиндр 4 установлен на картере 25, в котором размещен коленчатый вал 3 механизма 2 (см. также фиг 2).

Кулачек 17 установлен на валу 26, шпонка 27 выполняет функцию фиксации кулачка 17 относительно зубчатого колеса 22, а шпонка 28 - фиксацию зубчатого колеса 21 относительно коленчатого вала 3. Коленчатый вал 3 получает вращение от двигателя (на чертежах условно не показан) через клиноременную передачу с ремнем 29 и шкивом 30, закрепленном на валу 3 с помощью гайки 31. Зубчатое колесо 21 закреплено на валу 3 с помощью гайки 32.

На фиг. 4 показан вариант машины, в котором вращение кулачку 17 передается от червячной передачи: червяк 33 (является по существу продолжением коленчатого вала 3) и червячное колесо 34, на котором и закреплен кулачок 17, который в данном примере имеет выступ 18 и впадину 19 на торцовой поверхности. Здесь золотник 7 совмещен с клапанной головкой машины, а поджатие нижней части 16 рычага 14 к кулачку 17 производится пружиной сжатия 35.

В машине, изображенной на фиг. 5, один конец стержня 9 золотника 7 соединен с якорем 36 электромагнита 37, а другой подпружинен пружиной 38 в направлении, противоположном действию электромагнита 37, причем обмотки статора 39 электромагнита 37 соединены с источником питания 40 через командное устройство, которое в данном примере выполнено в виде пары электрических контактов - подвижного 41 и неподвижного 42, причем подвижный контакт 41 взаимодействует с выступом 18 кулачка 17, и при этом взаимодействии контакты 41 и 42 приходят в замкнутое состояние (этот момент показан на фиг. 5). Как и в предыдущих вариантах машины (фиг. 1 и фиг. 4), кулачок 17 имеет кинематическую связь с коленчатым валом 3 машины через цилиндрическую или червячную зубчатую передачу (в данном примере - через цилиндрическую передачу - шестерни 21 и 22).

На фиг. 6 изображен вариант машины, аналогичный показанному на фиг. 5. Здесь подвижный и неподвижный контакты выполнены в виде геркона 43, причем на выступе 18 кулачка 17 закреплены постоянные магниты 44, кинематическая связь кулачка 17 с коленчатым валом 3 машины осуществляется через цилиндрическую зубчатую передачу (шестерни 21 и 22), а на фиг. 7 - через червячную передачу (червяк 33 и колесо 34, см. также фиг. 8).

На фиг. 9 показано устройство машины аналогичное, изображенному на фиг. 6, в котором командное устройство выполнено в виде оптоэлектронной пары 45, световой поток которой взаимодействует с одним выступом 18 кулачка 17, имеющего кинематическую связь с коленчатым валом 3 машины через шестерни 22 и 21. Оптоэлектронная пара 45 состоит из излучателя 46, получающего напряжение от источника питания 40, и фотоприемника 47, сигнал с которого поступает на усилитель 48, а от него - на контактор 49, замыкающий цепь питания обмотки 39 электромагнита 37.

На фиг. 10 схематично показано устройство машины, в которой командное устройство выполнено в виде двухпозиционного выключателя 50, рычаг 51 управления положением которого имеет кинематическую связь со штоком 52 поршня 53 датчика сравнения 54. Этот поршень 53 установлен в цилиндре 55 упомянутого датчика и делит этот цилиндр 55 на две половины 56 и 57, причем одна половина 56 цилиндра 55 подключена к линии нагнетания 13 текучей среды через воздушный колпак 58 с манометром 59, а другая 57 - к линии нагнетания 12 газообразной среды через ресивер 60 с манометром 61.

Воздушный колпак 58 служит для сглаживания пульсации в нагнетательной линии 13 и подержании давления жидкости на небольшой промежуток времени (зависит от объема колпака), если ее давление стало падать из-за увеличения расхода потребителя.

Контакты 62 и 63 выключателя 50, которые замыкаются роликом 64, поджатым пружиной 65, соединены с электрической схемой включения и выключения обмотки 39 статора электромагнита 37.

Тарированные пружины 66 и 67 служат для нормирования перепада давления на поршне 53, при котором он совершает перемещение в одну или другую сторону.

Схема выключения и включения обмотки 39 статора электромагнита 37 состоит из диска 68, жестко закрепленного на коленчатом валу 3, и имеющего постоянный магнит 69, взаимодействующий с контактами неподвижно установленных герконов 70 и 71. Контакты геркона 71 соединены с источником питания 40 через обмотку реле К2, имеющего контакты К21, и через контакты 62. Один контакт геркона 70 соединен с обмоткой реле К1 через обмотку 39 статора, контакты К11 и контакты 63 и далее с источником питания 40 через контакты К21. Другой контакт геркона 70 соединен с источником питания 40 непосредственно. Контакты 31 шунтируют геркон 70.

В машине, схема которой показана на фиг. 11, командное устройство выполнено в виде первого 72 и второго 73 счетчиков электрических сигналов, первые входы которых (соответственно 74 и 75) соединены с датчиком положения верхней мертвой точки положения поршня 1. В данной конструкции, как и в предыдущей, изображенной на фиг. 10, в качестве датчика положения верхней мертвой точки поршня 1 используется постоянный магнит 69, закрепленный на диске 68, который установлен на коленчатом валу 3, и геркон 70. К каждому счетчику (72 и 73) подключены уставки соответственно 76 и 77, причем второй счетчик 73 имеет дополнительный вход 78, электрически связанный с контактами 79, установленными неподвижно с возможностью их замыкания концом стержня 9 при отключении обмотки 39 статора электромагнита 37. Выход 80 первого счетчика 72 подключен к преобразователю сигнала 48, соединенного с контактором 49, который соединен с обмоткой 39 электромагнита и с источником питания 40. Первый выход 81 второго счетчика 73 подключен ко второму входу 82 первого счетчика 72, а второй выход 83 подключен к преобразователю сигнала 48. Второй выход 85 счетчика 72 соединен с третьим входом 84 счетчика 73.

Источники напряжения 86 и 87 служат для образования электрического сигнала при замыкании контактов геркона 70 и контактов 79.

Способ работы машины осуществляется следующим образом (фиг. 1).

При вращении приводного коленчатого вала 3 поршень 1 совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 4. При этом сжимаемая среда всасывается в цилиндр 4 через клапан 5, сжимается в нем и нагнетается потребителю через клапан 6. При этом сжимаемая среда дважды проходит через золотник 7 - при всасывании и при нагнетании. На фиг. 1 показано положение золотника 7, при котором из линии всасывания 10 всасывается газообразная среда, например, воздух, и она же нагнетается потребителю через линию нагнетания 12.

Положение стержня 9 золотника 7, которое определяет, какую среду (газообразную или текучую, например, жидкость) сжимает машина, зависит от положения вилки 15 рычага 14, который своим концом 16 постоянно прижат пружиной 25 к кулачку 17, имеющему выступ 18 и впадину 19. Этот кулачек с помощью болтов 20 и шпонки 27 установлен на шестерне 22, которая получает вращение от шестерни 21, жестко гайкой 32 и шпонкой 28 установленной на коленчатом валу 3 (см. также фиг. 2).

Таким образом, положение поверхностей (выступа 18 и впадины 19) кулачка 17 однозначно связаны с углом поворота вала 3. Эта связь дает возможность с помощью рычага 14, поворачивающегося на оси 23, перемещать вилкой 15 стержень 9 таким образом, что переключение с одной среды на другую происходит при положении поршня 1 точно в верхней мертвой точке. На фиг. 1 показан момент, когда конец 16 стержня 14 находится на выступе 18, и при этом стержень 9 золотника 7 сдвинут вправо. Машина работает с газообразной средой.

На фиг. 3 показано положение стержня 14, в котором его конец 16 прижат к поверхности впадины 19 кулачка 17, при этом стержень 9 золотника 7 сдвинут влево, и золотник 7 соединяет через клапаны 5 и 6 цилиндр 4 с жидкостной линией всасывания 11 и жидкостной линией нагнетания 13. Машина работает с жидкостью.

Для обеспечения точного совпадения момента переключения золотника 7 с одной сжимаемой среды на другую следует обеспечивать отношение количества зубьев шестерен 21 и 22, выражающимся отношением целых простых чисел, например 1:3, 3:4 и т.д. При этом, соответственно, отношение углов выступа 18 и впадины 19 должно равняться этому отношению. Например, количество зубьев шестерни 21 равно 30, а шестерни 22-90. В этом случае отношение зубьев равно 1:3, а углы выступа 18 и впадины 19 должны быть соответственно 90 и 270, или 45 и 135. В этом случае на один ход сжатия, например, газа придется 3 хода сжатия жидкости и, наоборот, в зависимости от первоначальной установки кулачка 17.

Работа конструкции, изображенной на фиг. 4, принципиально не отличается от работы выше рассмотренной. Отличие состоит в приводе кулачка 17, который производится через червячную передачу (червяк 33 - червячное колесо 34). В этом случае возможно создание в небольших габаритах высокого соотношения между ходами сжатия газа и жидкости. Например, 1:30, 1:50 и менее. Такой вариант целесообразно использовать в том случае, когда «мокрый ход» (сжатие жидкости) применяется не для подачи жидкости потребителю, а для создания устойчивой смазки, уплотнения зазора слоем жидкости между поршнем 1 и цилиндром 4, и охлаждения цилиндра 4, что позволяет исключить утечки газа на ходах его сжатия и повысить КПД машины за счет повышенного отвода теплоты от стенок цилиндра 4.

В конструкции, изображенной на фиг. 5, перемещение стержня 9 золотника 7 производится электромагнитом 37. При его включении стержень 9 смещается влево - «мокрый ход», а при отключении электромагнита 37 под действием пружины 38 стержень 9 перемещается вправо, начинается «сухой ход» машины.

Включение и выключение электромагнита 37 осуществляется замыканием и размыканием контактов 41 и 42. В тот момент, когда выступ 18 кулачка 17 подходит к подвижному контакту 41 и нажимает на него, замыкается цепь питания обмотки статора 39 электромагнита 37, и якорь 36 перемещает стержень 9 влево. В тот момент, когда выступ 18 уходит от контакта 41, контакты 41 и 42 размыкаются, и размыкается цепь питания обмотки статора 39, стержень 9 под действием пружины 38 перемещается вправо.

В конструкции, изображенной на фиг. 6 и фиг. 7, включение и выключение обмотки 39 статора электромагнита 37 и, соответственно, переключение работы машины с «сухого хода» (сжатие газа) на «мокрый ход» (сжатие жидкости) производится герконом 43, контакты которого замыкаются при прохождении мимо него намагниченного магнитами 44 выступа 18 кулачка 17 и размыкаются, когда мимо геркона 43 проходит впадина 19 (см. также фиг. 8).

В машине, изображенной на фиг. 9, включение и выключение обмотки 39 статора электромагнита 37 производится за счет взаимодействия оптоэлектронной пары 45 с поверхностью выступа 18 кулачка 17. При подходе цилиндрической поверхности выступа 18 к оптоэлектронной паре 45, свет излучателя 46, отражаясь от этой поверхности, попадает на фотоприемник 47, который вырабатывает сигнал, усиливаемый усилителем 48. С этого усилителя 48 сигнал попадает на контактор 49, который включает цепь питания обмотки 39 статора электромагнита 37, и его якорь 36 перемещает стержень 9 золотника 7. Как только поверхность выступа 18 пройдет зону оптоэлектронной пары 45, свет излучателя 46 попадает на цилиндрическую поверхность впадины 19, и, отражаясь от нее, проходит мимо фотоприемника 47 (показано штриховыми линиями). При этом сигнал оптоэлектронной пары 45 становится равным нулю, и контактор 49 отключает обмотку 39 от источника питания 40, стержень 9 под действием пружины 38 смещается вправо. Привод вращения кулачка 17 и в этом случае может осуществляться с помощью червячного зацепления.

В конструкции машины, схематично изображенной на фиг. 10, включение и выключение электромагнита 37 привода движения стержня 9 золотника 7 производится за счет двухпозиционного выключателя 50, который приводится в действие штоком 52 поршня 53. Поршень 53 может перемещаться под действием перепада давления на нем с учетом усилий пружин сжатия 66 и 67 и разности площадей поверхностей поршня в полостях 56 и 57. Эти полости соединены с линиями нагнетания 12 жидкости и 13 газа. Характеристики пружин 66 и 67 выбираются в зависимости от номинальных давлений газа и жидкости потребителей, которых машина должна обеспечивать. Так, например, если давление потребителя жидкости больше, чем давление потребителя газа, то пружина 66 должна иметь меньшую жесткость, чем пружина 67. Например, при превышении давления потребителя газа (требуемый расход газа уменьшился) и нормальном или заниженном давлении потребителя жидкости, поршень 53 со штоком 52 должен пойти влево, чтобы переключить машину на сжатие и подачу потребителю только жидкости. На фиг. 10 показано положение системы управления, в котором происходит сжатие и подача потребителю только жидкости. В качестве двухпозиционного выключателя 50 изображен тумблер, в котором переключение из одного состояния в другое происходит достаточно быстро (менее 0,1 с) за счет действия мультипликационного механизма, состоящего из пружины 65 и рычага второго рода 51.

Машина работает следующим образом.

Предположим, что в некоторый момент времени потребитель жидкости увеличил расход, и давление жидкости упало ниже номинального. При этом уровень жидкости в воздушном колпаке 58 снижается, и газ в нем начинает расширяться, его давление падает. В этом случае, как показано на фиг. 10, поршень 53 движется вправо, шток 52 тянет за собой рычаг 51, и выключатель 50 переходит в положение, показанное на фиг. 10 - контакты 62 разомкнуты, контакты 63 замкнуты. При срабатывании геркона 70 (поршень 1 находится в положении верхней мертвой точки) ток течет от источника 40 через нормально замкнутые контакты К21, обмотку реле К1, контакты 63 и обмотку 39 якоря электромагнита 37, магнит 37 срабатывает, и стержень 9 переходит в положение, показанное на фиг. 10, замыкая одновременно контакты К31, шунтирующие геркон 70. Сработавшее при этом реле К1 замыкает свои контакты К11, шунтирующие контакты 63, и теперь, независимо от срабатываний герконов 70 и 71 золотник 7 будет находиться в данном положении, и машина будет сжимать жидкость до тех пор, пока давление прокачиваемой ею жидкости не вырастет до номинальной величины.

Если разность между давлением жидкости в колпаке 58 превысит номинальную величину, или при номинальной величине давления жидкости слишком сильно упадет давление газа в ресивере 60, возникший перепад давления на поршне 53 с учетом действия пружин 66 и 67 начинает двигать поршень 53 со штоком 52 влево по рисунку. Соответственно начнет движение и рычаг 58, сжимая пружину 65. В некоторый момент пружина 65 потеряет устойчивость, и ролик 63 быстро переместится от контактов 63 к контактам 62. Во время этого перемещения, благодаря тому, что контакты К11 остаются замкнутыми, никакого воздействия на электромагнит 37 не происходит, и он остается во включенном состоянии.

Как только ролик 64 замкнет контакты 62 и сработает геркон 71 (поршень 1 находится в положении верхней мертвой точки), ток пройдет по обмотке реле К2, и контакты К21 разомкнуться. При этом обмотка 39 электромагнита обесточится, и стержень 9 под действием пружины 38 перейдет в правое по рисунку положение, разомкнув контакты К31.

В этом положении машина сжимает газ и подает его потребителю, а срабатывание герконов 70 и 71 при каждом ходе поршня 1 никакого воздействия на систему не оказывают.

В конструкции машины, схема которой изображена на фиг. 11, изменение положения стержня 9 золотника 7 производится за счет работы счетчиков ходов 72 и 73, имеющих уставки 76 и 77. Эти уставки являются постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ), в которых хранится наперед заданное число, определяющее наполнение счетчиков. Исходное состояние золотника определяется контактами 79, которые замкнуты на начало работы машины стержнем 9, который на этот момент занимает крайнее правое положение под действием пружины 38, т.к. машина еще не запущена и источник тока 40 отключен.

При запуске машины через замкнутые контакты 79 источником напряжения 87 подается сигнал на вход 78, который запускает счетчик 73. Как только поршень в первый раз дойдет до верхней мертвой точки (магнит 69 приблизится к геркону 70) в оперативной памяти счетчика 73 начинается счет импульсов, вырабатываемых герконом 70 и подаваемых на вход 75 счетчика 73, от единицы до числа, заданного уставкой 77. Одновременно с выхода 83 подается сигнал на преобразователь сигнала 48, в котором сигнал из цифрового кода преобразуется в напряжение. Это напряжение подается на контактор 49, который замыкает свои контакты («пуск»), и напряжение от источника питания 40 подается на обмотку 39 электромагнита 37, который втягивает в себя якорь 36 и вместе с ним - стержень 9 золотника 7. Происходит включение машины на работу с жидкостью - этот момент показан на фиг. 11. Магнит 37 остается включенным до тех пор, пока не произойдет наполнение счетчика 73 импульсами, передаваемыми герконом 70.

При наполнении счетчика 73 до числа, записанного в уставке 77, он обнуляется и вырабатывает сигнал, передаваемый с выхода 81 на вход 82 счетчика 72, который запускает этот счетчик. Одновременно счетчик 72 при подаче к нему сигнала с геркона 70 вырабатывает сигнал, который с выхода 80 подается в преобразователь 48 на отключение контактора 49 («стоп»). Напряжение с обмотки 39 снимается, и электромагнит 37 отпускает якорь 36 со стержнем 9, которые двигаются вправо по рисунку, происходит переключение машины на работу с газом.

Далее при работе машины счетчик 72 заполняется сигналами, поступившими от геркона 70 до тех пор, пока их число не станет равным числу, записанному в уставке 76, после чего счетчик 72 обнуляется, и с выхода 85 выдает сигнал на запуск счетчика 73.

В дальнейшем работа машины повторяется.

В предложенном способе работы и конструкции поршневой гибридной энергетической машины переключение с режима работы с газом на режим работы с текучей средой (жидкостью) всегда происходит строго при положении поршня в верхней мертвой точке. Таким образом, если переход осуществляется со сжатия жидкости на работу с газом, в газ поступает только то количество жидкости, которое содержится в мертвом пространстве цилиндра 4, что составляет не более 3-5% от объема, описанного поршнем. То же самое относится и к переходу со сжатия газа на работу с жидкостью.

Кроме того, конструкция машины предусматривает возможность совершения множества ходов работы, как с газом, так и с жидкостью, в связи с чем содержание инородной субстанции (например, газа в жидкости и наоборот) становится пренебрежимо малым. Так, например, если остаток жидкости составляет 5% от объема, описанного поршнем, то при совершении, например 100 ходов сжатия газа, этот объем превращается в 0,05% содержания жидкости в газе, а при 1000 ходов (это примерно всего одна минута работы машины) эта цифра снижается до 0,005%. Соответственно, этот пример актуален и для содержания газа в жидкости.

Еще одно важное преимущество такой конструкции машины состоит в том, что она может, например, использоваться только для сжатия газа. При этом относительно небольшое количество ходов сжатия жидкости используется для активного охлаждения цилиндропоршневой группы и создания над поршнем и между поршнем и цилиндром слоя жидкости, который снижает трение между поршнем и цилиндром практически до нуля (в обычном компрессоре это трение отбирает до 6% подводимой мощности) и полностью предотвращает утечки сжимаемого газа. За время работы машины в режиме компрессора слой жидкости над поршнем будет постепенно уменьшаться под действием перепада на поршне, и как только он начнет исчезать, машина вновь несколько ходов сделает в режиме сжатия жидкости.

Таким образом, помимо существенного снижения загрязнения сжимаемой среды, машина сможет иметь более высокий КПД в связи с хорошим охлаждением цилиндропоршневой группы и отсутствием трения в паре поршень-цилиндр.

Кроме того, в отличие от известных конструкций, предложенная машина может иметь существенно больший диапазон отношения производительности по жидкости и газу.

Таким образом, следует считать, что поставленная техническая задача полностью выполнена.

Изобретение относится к области энергетики и касается гибридных поршневых машин, предназначенных для попеременного сжатия жидкости и газа. Машина состоит из поршня 1 с механизмом привода 2 кривошипно-шатунного типа, приводимого в движение валом 3. Цилиндр 4 имеет самодействующие обратные клапаны 5 и 6, которые с помощью золотника 7 подключаются либо к линии всасывания 10 и линии нагнетания 12 газа, либо к линии всасывания 11 и линии нагнетания 12 жидкости. Стержень 9 золотника перемещается электромагнитом 37, который включается или выключается с помощью контактов 41 и 42, которые замыкаются и размыкаются кулачком 17 строго при положении поршня 1 в верхней мертвой точке. Кулачок 17 закреплен на шестерне 22, которая получает вращение от шестерни 21, закрепленной на валу 3. Возврат стержня 9 происходит при размыкании контактов 41 и 42 под действием пружины 38. Способ работы состоит в том, что изменение сжимаемой рабочей среды происходит при нахождении поршня в верхней мертвой точке после окончания процесса нагнетания. Снижается содержание газа в сжимаемой жидкости и наоборот, расширяется диапазон отношений производительности по газу и жидкости. Существенно снижается загрязнение сжимаемой среды, повышается кпд в связи с хорошим охлаждением цилиндропоршневой группы и отсутствием трения в паре поршень-цилиндр. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ работы поршневой гибридной энергетической машины, заключающийся в попеременном сжатии в цилиндре машины и нагнетании потребителю текучей и газообразной среды путем попеременного соединения цилиндра с источником и потребителем текучей и газообразной среды, отличающийся тем, что это соединение осуществляется при нахождении поршня в положении верхней мертвой точки после завершения процесса нагнетания сжимаемой среды.

2. Способ работы поршневой гибридной энергетической машины по п. 1, отличающийся тем, что попеременное соединение цилиндра с источником и потребителем текучей и газообразной среды осуществляется при отношении количества ходов сжатия газообразной среды к количеству ходов сжатия текучей среды, выражающееся дробью, числитель и знаменатель которой представляют собой целые числа, например 1:3

3. Поршневая гибридная энергетическая машина для осуществления способа работы по п. 1 или 2, содержащая поршень с механизмом возвратно-поступательного движения с коленчатым валом, причем поршень размещен в цилиндре, имеющем всасывающие и нагнетательные клапаны, и золотник, имеющий корпус и цилиндрический стержень, попеременно соединяющий упомянутые клапаны с источником и потребителем газообразной и текучей среды через линии всасывания и нагнетания, отличающаяся тем, что стержень золотника имеет кинематическую связь с коленчатым валом.

4. Поршневая гибридная энергетическая машина по п. 3, отличающаяся тем, что кинематическая связь выполнена в виде рычага, один конец которого соединен со стержнем золотника, а другой конец контактирует с кулачком, имеющим по крайней мере один выступ и одну впадину и соединенным через зубчатую цилиндрическую или червячную передачу с коленчатым валом машины.

5. Поршневая гибридная энергетическая машина для осуществления способа работы по п. 1 или 2, содержащая поршень с механизмом возвратно-поступательного движения с коленчатым валом, причем поршень размещен в цилиндре, имеющем всасывающие и нагнетательные клапаны, и золотник, имеющий корпус и цилиндрический стержень, попеременно соединяющий упомянутые клапаны с источником и потребителем газообразной и текучей среды через линии всасывания и нагнетания, отличающаяся тем, что один конец стержня золотника соединен с якорем электромагнита, а другой подпружинен в направлении, противоположном действию электромагнита, причем обмотки статора электромагнита соединены с источником питания через командное устройство.

6. Поршневая гибридная энергетическая машина по п. 5, отличающаяся тем, что командное устройство выполнено в виде по крайней мере одной пары электрических контактов - подвижного и неподвижного, причем подвижный контакт имеет возможность взаимодействовать с кулачком, имеющим по крайней мере одну впадину и один выступ, и этот кулачок имеет кинематическую связь с коленчатым валом машины.

7. Поршневая гибридная энергетическая машина по п. 6, отличающаяся тем, что кинематическая связь кулачка с коленчатым валом машины выполнена в виде цилиндрической или червячной зубчатой передачи.

8. Поршневая гибридная энергетическая машина по п. 6, отличающаяся тем, что подвижный и неподвижный контакты выполнены в виде геркона, причем на выступе кулачка закреплены постоянные магниты.

9. Поршневая гибридная энергетическая машина по п. 5, отличающаяся тем, что командное устройство выполнено в виде оптоэлектронной пары, световой поток которой взаимодействует по крайней мере с одним выступом кулачка, имеющего кинематическую связь с приводным валом машины.

10. Поршневая гибридная энергетическая машина по п. 5, отличающаяся тем, что командное устройство выполнено в виде двухпозиционного выключателя, рычаг управления положением которого имеет кинематическую связь со штоком поршня датчика сравнения, этот поршень установлен в цилиндре упомянутого датчика и делит этот цилиндр на две половины, причем одна половина цилиндра подключена к линии нагнетания текучей среды, а другая - к линии нагнетания газообразной среды, при этом контакты выключателя соединены с электрической схемой включения и выключения обмотки статора электромагнита.

11. Поршневая гибридная энергетическая машина по п. 5, отличающаяся тем, что командное устройство выполнено в виде первого и второго счетчиков электрических сигналов, первые входы которых соединены с датчиком положения верхней мертвой точки поршня и к каждому из которых подключены уставки, причем второй счетчик имеет дополнительный вход, электрически связанный с контактами, установленными с возможностью их замыкания при отключении обмотки статора электромагнита, выход первого счетчика подключен к преобразователю сигнала, соединенного с контактором, который соединен с обмоткой электромагнита и с источником питания, при этом первый выход второго счетчика подключен ко второму входу первого счетчика, а второй выход подключен к преобразователю сигнала, при этом второй выход первого счетчика соединен с третьим входом второго счетчика.