РАБОТАЮЩИЙ НА СЖАТОМ ВОЗДУХЕ ДВИГАТЕЛЬ С ВКЛЮЧЕННОЙ АКТИВНОЙ КАМЕРОЙ И С АКТИВНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ВПУСКА
COMPRESSED AIR ENGINE WITH ACTIVE CHAMBER AND ACTIVE INTAKE DISTRIBUTION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к двигателю, работающему, в частности, с помощью сжатого воздуха или любого другого газа и с использованием камеры, называемой «активная камера».
Изобретение относится к распределению впуска такого двигателя и, в частности, двигателя, включающего включенную активную камеру, а именно, многорежимного, саморегулирующего давление двигателя с включенной активной камерой.
Уровень техники
Понятие распределение относится ко всем средствам, используемым для подачи в такой двигатель сжатого газа.
Заявители подали многочисленные заявки, относящиеся к приводным двигателям и их агрегатам, с использованием газов и, в частности, сжатого воздуха для полностью чистой работы в городских и пригородных условиях.
А именно, подана заявка на международный патент WO-А1-03/036088, полное содержание которой включается в данное описание, относящаяся к комплекту двигатель-компрессор - электродвигатель-генератор с дополнительным впрыском сжатого воздуха, работающему на единственной энергии или на нескольких энергиях.
В этих типах двигателя, работающего с помощью сжатого воздуха и содержащего бак хранения сжатого воздуха, необходимо расширять сжатый воздух, хранящийся под очень высоким давлением в баке, но давление которого уменьшается при опустошении бака, до стабильного промежуточного давления, называемого конечным используемым давлением, в буферном резервуаре, называемом рабочим резервуаром, перед его использованием в приводном цилиндре или цилиндрах двигателя.
Для решения проблем регулирования давления заявителями также подана патентная заявка WO-А1-03/089764, полное содержание которой включается в данное описание, относящаяся к динамическому регулятору давления с изменяемой пропускной способностью и к распределению подачи в двигатель с впрыском сжатого воздуха, содержащий бак сжатого воздуха высокого давления и рабочий резервуар.
При работе этих «разгружающих нагрузку» двигателей, заполнение камеры расширения всегда представляет расширение без совершения работы, т.е. отрицательно влияет на общую эффективность двигателя.
Для решения указанной выше проблемы, заявители подали патентную заявку WO-А1-2005/049968, в которой приведено описание работающего на сжатом воздухе двигателя предпочтительно питаемого сжатым воздухом или любым другим сжатым газом, содержащемся в баке хранения под высоким давлением, предварительно расширяемого до нормального рабочего давления в буферном резервуаре, называемом рабочим резервуаром.
Согласно идее WO-А1-2005/049968, в двигателе такого типа:
- камера расширения выполнена с изменяемым объемом, снабжена средствами, обеспечивающими возможность выполнения работы, и она спарена и находится в контакте через постоянный проход с пространством, находящимся над основным приводным поршнем, которое снабжено устройством для остановки поршня в его верхней мертвой точке,
- во время остановки движения приводного поршня в его верхней мертвой точке, воздух или газ под давлением впускается в камеру расширения, когда камера имеет свой наименьший объем, и под действием давления увеличивает свой объем, выполняя работу,
- при сохранении по существу максимального объема камеры расширения, сжатый воздух, который содержится в ней, затем расширяется в цилиндр двигателя, толкая тем самым приводной поршень в его ходе вниз, выполняя в свою очередь работу,
- во время хода вверх приводного поршня в фазе выхлопа, изменяемый объем камеры расширения возвращается к своему наименьшему объему для начала снова полного рабочего цикла.
Камера расширения двигателя, согласно этому изобретению, активно участвует в выполнении работы. За счет этого двигатель называется двигателем с активной камерой.
А именно, в WO-А1-2005/049968 предлагается термодинамический цикл с четырьмя фазами во время работы в режиме единственной энергии в виде сжатого воздуха, который характеризуется:
- изотермическим расширением без выполнения работы;
- расширением с незначительным переносом с так называемой квази изотермической работой;
- политропным расширением с выполнением работы;
- выхлопом при окружающем давлении.
Документ WO-А1-2008/028881, который представляет вариант идеи документа WO-А1-2005/049968, раскрывает такой же термодинамический цикл, однако с использованием обычного устройства с соединительным штоком и кривошипом, при этом камера расширения двигателя, согласно изобретению, активно участвует в выполнении работы.
Заявителями затем была подана патентная заявка на работающий на сжатом воздухе или газе двигатель, который включает активную камеру, которая выполняет тот же термодинамический цикл, что и двигатели, согласно WO-А1-2005/049968 и WO-А1-2008/028881, а также устройство с обычным соединительным штоком и кривошипом.
Согласно идее документа WO-А1-2012/045693, заявители предложили двигатель с включенной активной камерой, содержащий по меньшей мере один поршень, установленный с возможностью скольжения в цилиндре и привода коленчатого вала с помощью обычного устройства с соединительным штоком и кривошипом, и работающий в соответствии с термодинамическим циклом с четырьмя фазами, содержащими:
- изотермическое расширение без выполнения работы;
- расширение с незначительным переносом с так называемой квази изотермической работой;
- политропное расширение с выполнением работы;
- выхлоп при окружающем давлении.
Предпочтительно, подача сжатого воздуха или любого другого сжатого газа, содержащегося в баке хранения под высоким давлением, через буферный резервуар, называемый рабочим резервуаром, который подает сжатый воздух или любой другой сжатый газ, содержащийся в баке хранения под высоким давлением, который расширен до среднего давления, называемого рабочим давлением, в рабочий резервуар, предпочтительно через устройство динамического регулирования давления, в котором:
- активная камера включена/интегрирована в цилиндр двигателя;
- цилиндр двигателя содержит по меньшей мере один поршень, установленный с возможностью скольжения по меньшей мере в одном цилиндре, в котором объем, в котором движется поршень, разделен на две отдельные части, при этом первая часть образует активную камеру СА, и вторая часть образует камеру CD расширения;
- цилиндр закрыт в своей верхней части с помощью головки цилиндра, содержащей по меньшей мере один впускной канал и одно впускное отверстие и по меньшей мере один выпускной канал и одно выпускное отверстие, и которая выполнена так, что когда поршень находится в свой верхней мертвой точке, остаточный объем, содержащийся между поршнем и головкой цилиндра, за счет конструкции если не отсутствует, то уменьшается до минимальных зазоров, обеспечивающих работу без контакта между поршнем и головкой цилиндра;
- сжатый воздух или газ под давлением впускается в цилиндр над поршнем, когда объем активной камеры СА является минимальным, и который под непрерывным осевым действием сжатого воздуха при постоянном рабочем давлении увеличивается с выполнением работы, представляющей фазу квази термального переноса;
- впуск сжатого воздуха или газа под давлением в цилиндр блокируется, когда достигается максимальный объем активной камеры СА, и количество сжатого воздуха или газа под давлением, содержащегося в указанной активной камере, затем расширяется, толкая поршень обратно по второй части его движения, которая задает камеру CD расширения во время выполнения работы, обеспечивая тем самым фазу расширения;
- при достижении поршнем своей нижней мертвой точки, выпускное отверстие открывается для обеспечения фазы выхлопа во время хода вверх поршня на всем пути его движения.
Объем включенной активной камеры СА и объем камеры CD расширения выбраны так, что при номинальном рабочем давлении двигателя давление в конце расширения в нижней мертвой точке близко к окружающему давлению, а именно, атмосферному давлению. Объем активной камеры задается посредством закрывания впуска.
Предпочтительно, при работе с единственной энергией в виде сжатого воздуха, указанный выше двигатель с включенной активной камерой включает несколько последовательных цилиндров с увеличенной объемной емкостью.
Предпочтительно, питание двигателя осуществляется в соответствии с идеями документов WO-А1-2005/049968 и WO-А1-2008/028881 сжатым воздухом или любым другим сжатым газом, содержащимся в баке хранения под высоким давлением, предпочтительно расширенным до нормального рабочего давления в буферном резервуаре, называемом рабочим резервуаром.
Однако, если даже возможно в двигателе с несколькими ступенями снабжать первый из цилиндров при высоком давлении, все еще необходимо расширять воздух, сжатый при очень высоком давлении, содержащийся в баке хранения под высоким давлением, до нормального рабочего давления, и эта операция расширения вызывает либо потерю эффективности за счет использования обычного регулятора давления, либо, при использовании идей WO-A1-03/089764, без увеличения стоимости энергии, это расширение не обеспечивает возможности выполнения какой-либо работы между высоким давлением в баке и номинальным рабочим давлением в рабочем резервуаре с постоянным объемом.
Заявителями затем подана новая патентная заявка WO-A1/2012/045694, полное содержание которой включается в данное описание, в которой раскрывается работающий на сжатом воздухе двигатель с включенной активной камерой, в котором:
- бак хранения сжатого воздуха или любого другого газа под высоким давлением непосредственно питает впуск цилиндра двигателя;
- включенная активная камера СА заполняется при постоянном давлении впуска при каждом обороте двигателя, при этом это давление впуска уменьшается по мере уменьшения давления в баке хранения при постепенном опустошении бака;
- объем включенной активной камеры СА является изменяемым и постепенно увеличивается по мере уменьшения давления в баке хранения, которое определяет указанное уменьшение давления впуска;
- средства для открывания и закрывания впуска сжатого воздуха во включенную активную камеру СА обеспечивают возможность не только открывания впускного отверстия и канала по существу в верхней мертвой точке движения поршня, но также изменения длительности впуска и/или углового сектора, а также проходного поперечного сечения раскрыва;
- объем включенной активной камеры СА выбран для максимального давления хранения, затем он постепенно увеличивается, так что в зависимости от впускного давления, от соотношения объемов включенной активной камеры СА и камеры CD расширения, давление в конце расширения перед открыванием выхлопа близко к атмосферному давлению.
Двигатель, согласно WO-А1-2012/045694, служит также в качестве регулятора давления, так что изобретение предлагает так называемый двигатель с саморегулированием, который не требует независимого регулятора давления, невзирая на его тип, для питания активной камеры.
Многорежимный саморегулирующий давление двигатель с включенной активной камерой, согласно WO-А1-2012/045694, осуществляет, в частности, при работе в режиме единственной энергии сжатого воздуха, термодинамический цикл с тремя фазами, включающими:
- фазу изобарного и изотермического переноса;
- фазу политропного расширения с выполнением работы;
- фазу выхлопа при окружающем давлении.
При работе этого двигателя, объем, изменяющийся в зависимости от давления в баке хранения высокого давления, включенной активной камеры определяет количество впускаемого сжатого воздуха. Чем выше впускное давление, тем меньше должен быть объем активной камеры.
Поэтому для обеспечения правильной работы во всех фазах, используемых в двигателе, необходимо питать его с большой точностью в зависимости от различных параметров, включая скорость или скорость вращения, давление впуска, нагрузку, определяемую положением акселератора, температуру.
Для этого необходимо обеспечивать возможность изменения:
- момента времени открывания впуска в зависимости от скорости вращения двигателя перед или после верхней мертвой точки для учета инерции газов, а также соотношения между моментами времени создания давления,
- момента времени закрывания впуска в зависимости от скорости вращения двигателя, а также давления впуска,
- подъема впускного клапана в зависимости от требуемой нагрузки.
Трудность состоит в создании средств для открывания и закрывания впуска сжатого воздуха во включенную активную камеру, которые обеспечивают возможность не только открывания и закрывания впускного отверстия и канала в верхней мертвой точке движения поршня, но также изменения длительности впуска и/или углового сектора, а также проходного поперечного сечения раскрыва.
Распределение в двигателях все типов обеспечивается в основном с помощью клапанов, работа которых хорошо известна. Клапан блокирует впускной и/или выпускной канал и включает головку клапана, прижимаемую пружиной к круговому клапанному седлу, образованному вокруг отверстия, соединяющего впускной и/или выпускной канал с камерой сгорания и/или камерой расширения, содержащейся в цилиндре.
Головка клапана открывает контур посредством вхождения в камеру, подлежащую снабжению, при перемещении с помощью механической системы кулачков и толкателей кулачков, воздействующих на шток клапана, который продолжает головку клапана.
В других областях двигателестроения и по другим техническим причинам, а именно, для уменьшения вредных выбросов и с целью управления впуском и выпуском обычных двигателей внутреннего сгорания, многие изготовители двигателей работают над системами, обеспечивающими возможность управления фазами и длительностью открывания клапанов во время работы, и заявлено множество патентов, относящихся к этим применениям. Сложные механические системы, приводимые в действие с помощью шаговых электродвигателей, также разработаны и внедрены на рынок, а именно, фирмой BMW™, в виде так называемого устройства ʺVamosʺ.
Заявителями также подана патентная заявка WO-А1-03/089764, полное содержание которой включается в данное описание, относящаяся к распределению с помощью последовательно управляемых клапанов.
Много работы выполнено с электромеханическими устройствами, а именно, управляемыми с помощью соленоидов, которые просты в управлении с учетом различных рабочих параметров, однако требуется значительная электрическая мощность для обеспечения ускорения и скорости движения клапанов, с учетом их массы и инерции.
Изобретение, а именно, подходящее для работающих на сжатом воздухе двигателей с активной камерой, а именно, для работающих на сжатом воздухе двигателей с включенной активной камерой, предлагает решение всех указанных выше проблем при одновременном повышении мощности.
В устройстве активного распределения впрыска, согласно изобретению, применяемом в работающих на сжатом воздухе двигателях, используется сжатый воздух, содержащийся в баке хранения высокого давления и/или во впускном контуре, для перемещения впускного клапана, с целью открывания и затем закрывания впускного канала с обеспечением возможности питания активной камеры двигателя, при этом сжатый воздух, используемый для выполнения этих действий, затем используется повторно в двигателе для выполнения дополнительной работы.
Сущность изобретения
Согласно данному изобретению, предлагается содержащий активную камеру двигатель, работающий в соответствии с трехфазным термодинамическим циклом, включающем:
- фазу изобарного и изотермического переноса;
- фазу политропного расширения с выполнением работы;
- фазу выхлопа с окружающим давлением;
при этом двигатель включает:
- по меньшей мере один цилиндр, питаемый газом под давлением, предпочтительно сжатым воздухом, содержащимся в баке хранения высокого давления,
- по меньшей мере один поршень, который установлен с возможностью скольжения в цилиндре,
- коленчатый вал, приводимый в действие поршнем с помощью обычного устройства с соединительным штоком и кривошипом,
- головку цилиндра, которая закрывает объем цилиндра сверху, в котором движется поршень, и которая включает по меньшей мере один впускной канал, через который проходит поток газа под давлением для заполнения цилиндра, впускное отверстие для газа под давлением над поршнем, и по меньшей мере одно выпускное отверстие и один выпускной канал, при этом головка цилиндра расположена так, что когда поршень находится в своей верхней мертвой точке, остаточный объем, содержащийся между поршнем и головкой цилиндра, уменьшается за счет конструкции до минимальной щели, обеспечивающей возможность работы без контакта между поршнем и головкой цилиндра,
- по меньшей мере один впускной клапан, который герметично взаимодействует с клапанным седлом, образованным в головке цилиндра, и которое задает впускное отверстие,
при этом в двигателе:
- объем цилиндра, проходимый поршнем, разделен на две отдельные части, при этом первая часть образует активную камеру, которая включена в цилиндр, и вторая часть образует камеру расширения,
- под непрерывным воздействием газа под давлением, впускаемым в цилиндр при постоянном рабочем давлении, объем активной камеры увеличивается и выполняет работу, представляющую фазу изобарного и изотермического переноса,
- подача газа под давлением в цилиндр блокируется, как только достигается максимальный объем активной камеры, затем количество газа под давлением, содержащегося в указанной активной камере, расширяется и толкает назад поршень по второй части его движения, которая задает камеру расширения, и выполняет работу с обеспечением тем самым фазы политропного расширения,
- при достижении поршнем своей нижней мертвой точки, выпускное отверстие открывается для обеспечения фазы выпуска во время хода вверх поршня по всему пути прохождения до его верхней мертвой точки,
- управление крутящим моментом и скоростью двигателя осуществляется посредством открывания и закрывания впускного клапана с обеспечением открывания впускного клапана по существу в верхней мертвой точке движения поршня, и с обеспечением возможности, посредством закрывания клапана, изменения длительности впуска и/или углового сектора, а также проходного поперечного сечения впускного отверстия с целью, в зависимости от давления сжатого газа, содержащегося в баке хранения, и давления в конце фазы расширения, задания количества впускаемого газа под давлением и объема активной камеры,
отличающийся тем, что
а) впускной клапан установлен с возможностью осевого перемещения между закрытым положением, в котором он с герметизацией опирается на свое клапанное седло, и верхним открытым положением,
b) в направлении своего открывания впускной клапан движется в осевом направлении, противоположном направлению прохождения потока газа под давлением для заполнения цилиндра,
с) в своем закрытом положении впускной клапан остается закрытым автоклавным образом на своем клапанном седле с помощью давления во впускном канале, прикладываемого к впускному клапану,
d) двигатель включает средства для управления открыванием впускного клапана по существу в верхней мертвой точке движения поршня для вызывания подъема впускного клапана с его седла, с целью обеспечения возможности создания впускного давления в активной камере, при этом клапан проходит свой полный путь движения открывания под действием вызванных разницей давления сил, прикладываемых газом под давлением к соответствующим частям впускного клапана,
е) двигатель включает пневматический исполнительный механизм для закрывания впускного клапана, который включает исполнительный цилиндр и закрывающий поршень, который соединен с впускным клапаном для осевого перемещения вместе с ним и который установлен с возможностью скольжения в исполнительном цилиндре, внутри которого он задает с герметизацией управляющую камеру исполнительного механизма, называемую закрывающей камерой,
f) двигатель включает по меньшей мере один канал, который соединяет впускной канал (8) с источником газа под давлением, т.е. с верхней частью активной камеры цилиндра или с впускным каналом или с баком для газа под давлением,
g) двигатель включает канал активного распределения, который соединяет указанную закрывающую камеру с верхней частью активной камеры, и клапан для блокирования циркуляции газа в канале активного распределения, называемый клапаном активного распределения, управление открыванием которого осуществляется для создания соединения закрывающей камеры с верхней частью активной камеры, для закрывания впускного клапана и для выполнения работы, которая дополняется к работе, выполняемой зарядом газа под давлением, впускаемого в активную камеру через впускной канал.
Согласно другим признакам изобретения:
- управление клапаном активного распределения осуществляется в соответствии со следующим циклом:
i) открывание клапана активного распределения для соединения закрывающей камеры с активной камерой для вызывания закрывания впускного клапана, и затем, во время фазы расширения, для обеспечения возможности расширения сжатого газа, содержащегося в закрывающей камере, в камеру расширения цилиндра, с выполнением работы, которая дополняется к работе, выполняемой зарядом газа под давлением, впускаемым в активную камеру через впускной канал;
ii) в конце фазы расширения, закрывание клапана активного распределения для сохранения внутри закрывающей камеры давления расширенного газа, величина которого близка к величине атмосферного давления
согласно первому варианту выполнения, при этом указанные средства d) для управления впускным клапаном включают:
d1) канал, который соединяет верхнюю часть активной камеры с впускным каналом или с баком газа высокого давления, при этом указанный канал служит затем в качестве канала, управляющего открыванием впускного клапана;
d2) управляемый клапан для блокирования циркуляции газа в канале для управления открыванием, называемый открывающим клапаном;
- управление указанным управляющим открыванием клапаном осуществляется в соответствии со следующим циклом:
k1) в конце фазы выпуска, когда поршень находится по существу в верхней мертвой точке движения, открывание указанного клапана для обеспечения возможности создания в активной камере давления, идентичного давлению во впускном канале и вызывания подъема впускного клапана со своего седла;
k2) прохождение затем впускного клапана по всему пути открывания под действием вызываемых разницей давления сил, прикладываемых газом под давлением к соответствующим частям впускного клапана;
k3) закрывание указанного клапана, как только открывается впускной клапан;
- двигатель включает канал, который соединяет указанную закрывающую камеру с впускным каналом и/или с баком газа под высоким давлением, и клапан для блокирования циркуляции газа в этом канале, управление открыванием, а затем закрыванием которого выполняется так, что впускной канал закрывается, перед соединением закрывающей камеры с объемом цилиндра, в котором перемещается, поршень;
- согласно второму варианту выполнения, указанные средства для управления впускным клапаном включают палец, выступающий с верхней поверхности поршня, который во время окончания движения поршня в направлении его верхней мертвой точки, воздействует через впускное отверстие на обращенную к нему поверхность впускного клапана для подъема его со своего седла;
- управление клапаном активного распределения осуществляется в соответствии со следующим циклом:
j) открывание клапана активного распределения для соединения закрывающей камеры с активной камерой, для соединения закрывающей камеры с камерой расширения цилиндра, с целью обеспечения возможности расширения сжатого газа, содержащегося в закрывающей камере, в камеру расширения цилиндра, с выполнением работы, которая добавляется к работе, выполняемой зарядом газа под давлением, впускаемого перед этим в активную камеру;
jj) в конце фазы расширения закрывание снова клапана активного распределения для сохранения внутри закрывающей камеры давления, величина которого близка величине атмосферного давления;
- верхнее положение максимального открывания впускного клапана задается с помощью регулируемого стопора, управление осевым положением которого в направлении движения впускного клапана осуществляется так, что изменяется скорость потока газа под давлением, впускаемого в цилиндр через впускной канал.
Краткое описание чертежей
Другие цели, преимущества и признаки изобретения следуют из приведенного ниже описания не имеющих ограничительного характера вариантов выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг. 1А - двигатель, согласно изобретению, с активной камерой, включенной в цилиндр, который показан в осевом разрезе, с поршнем в нижней мертвой точке и с устройством подачи сжатого воздуха;
фиг. 1В-1D - двигатель, согласно фиг. 1, в различных последовательных фазах работы двигателя, согласно изобретению, при этом на фиг. 1 показан двигатель во время фазы впуска, при этом впускной клапан открывается сразу при достижении верхней мертвой точки;
фиг. 2 - двигатель, согласно второму варианту выполнения изобретения, в состоянии как на фиг. 1D;
фиг. 3 - двигатель, согласно третьему варианту выполнения изобретения, в состоянии как на фиг. 1В;
фиг. 4 - двигатель, согласно четвертому варианту выполнения изобретения, в состоянии как на фиг. 1В.
Подробное описание фигур
Описание фиг. 1А-1D
На фиг. 1А показан саморегулирующий давление двигатель с активной камерой, снабженный впускной системой активного распределения, согласно изобретению.
На фиг. 1А-1D показан двигатель с активной камерой СА, работающий в соответствии с трехфазным термодинамическим циклом, включающем:
- фазу изобарного и изотермического переноса;
- фазу политропного расширения с выполнением работы;
- фазу выхлопа при окружающем давлении.
Двигатель включает по меньшей мере один цилиндр 1, лишь один из которых изображен, который снабжается газом под давлением, предпочтительно сжатым воздухом, содержащимся в баке 12 хранения высокого давления.
Двигатель включает поршень 2, который установлен с возможностью скольжения в этом цилиндре 1, и коленчатый вал 5, который приводится в движение поршнем 2 с помощью обычного устройства 3, 4 с соединительным штоком и кривошипом.
Объем цилиндра 1 двигателя, через который проходит поршень 2, разделен вдоль воображаемой линии DDʹ (соответствующей разделительной плоскости, перпендикулярной оси цилиндра) на две части: первую часть, образующую активную камеру СА, которая поэтому включена в цилиндр 1, и вторую часть, образующую камеру CD расширения.
Кроме того, двигатель включает головку 6 цилиндра, которая закрывает сверху объем цилиндра 1, который проходит поршень 2.
Головка 6 цилиндра включает по меньшей мере один впускной канал 8, который соединен с баком 12, и в котором проходит поток газа под давлением для заполнения цилиндра, при этом впускное отверстие 7 для газа под давлением расположено над поршнем 2.
Головка 6 цилиндра дополнительно включает по меньшей мере одно выпускное отверстие и один выпускной канал (не изображены).
Головка 6 цилиндра выполнена так, что когда поршень 2 находится в своей верхней мертвой точке, то остаточный объем, содержащийся между поршнем 2 и головкой 6 цилиндра, уменьшается за счет конструкции до минимальной щели, обеспечивающей работу без контакта между поршнем 2 и головкой 6 цилиндра.
Головка 6 цилиндра включает по меньшей мере один впускной клапан 9, один из которых изображен, который взаимодействует герметичным образом с седлом 20 клапана, которое образовано в головке 6 цилиндра и задает впускное отверстие 7.
Как известно, в таком двигателе:
- объем цилиндра 1, проходимый поршнем 2, разделен на две отдельные части, содержащие первую часть, образующую камеру СА, называемую активной камерой, которая включена в цилиндр 1, и вторую часть, образующую камеру CD расширения,
- под постоянным воздействием газа под давлением, впускаемого в цилиндр 1 с постоянным рабочим давлением, объем активной камеры СА увеличивается, при этом выполняется работа, представляющая фазу квази-изотермического переноса,
- впуск газа под давлением в цилиндр 1 блокируется, как только достигается выбранный максимальный объем активной камеры СА, при этом затем газ, содержащийся в активной камере СА, расширяется и толкает обратно поршень 2 по второй части его движения, которая задает камеру CD расширения, выполняя работу, обеспечивая тем самым фазу расширения,
- после достижения поршнем 2 своей нижней мертвой точки, открывается выпускное отверстие для обеспечения фазы выпуска во время хода вверх поршня 2 по всему пути его движения до его верхней мертвой точки.
Управление крутящим моментом и скоростью двигателя осуществляется посредством управления открыванием и закрыванием впускного клапана 9, что обеспечивает возможность открывания впускного клапана 9 в верхней мертвой точке движения клапана (который является вертикальным, согласно ориентации на фигуре), и обеспечивает возможность посредством закрывания клапана 9 изменения длительности впуска и/или углового сектора, а также проходного поперечного сечения впускного отверстия, с целью, в зависимости от давления газа, содержащегося в баке 12 хранения и давления в конце фазы расширения, задания количества впускаемого газа под давлением и объема активной камеры СА.
Впускной канал 8 соединен непосредственно с баком 12 высокого давления, так что он подает газ непосредственно в активную камеру СА с тем же давлением, что и в баке 12.
Давление во впускном канале 8 идентично давлению в баке 12 хранения, например, порядка 100 бар, и больше давления в активной камере СА и в камере CD расширения, например, равного 1,5 бар в момент времени цикла, соответствующий нижней мертвой точке поршня в конце расширения как раз перед открыванием выпускного клапана.
Согласно изобретению, впускной клапан 9 установлен с возможностью перемещения в осевом направлении между нижним закрытым положением (с учетом общей вертикальной ориентации фигур и безотносительно силы тяжести), показанным на фиг. 2, в котором он герметично опирается на седло 20 клапана, и верхним открытым положением, представленным на фиг. 1В.
В направлении своего открывания впускной клапан 9 движется в осевом направлении вверх, противоположно направлению прохождения потока F газа под давлением для заполнения цилиндра. Поэтому впускной клапан открывается в направлении, противоположном потоку воздуха под давлением для заполнения цилиндра двигателя.
В своем закрытом положении впускной клапан 9 удерживается закрытым автоклавным образом на своем седле 20 клапана с помощью давления во впускном канале 8, прикладываемого к впускному клапану, т.е. к головке клапана внутри впускного канала 8.
Двигатель включает средства для управления открыванием впускного клапана 9 по существу в верхней мертвой точке движения поршня, так что впускной клапан 9 поднимается со своего седла 20 и обеспечивает возможность создания в активной камере давления, равного давлению во впускном канале 8.
Поэтому во время этой фазы открывания клапан проходит по всему пути открывания под действием сил разницы давления, прикладываемых газом под давлением к соответствующим частям впускного клапана, а именно, к головке клапана, т.е., с одной стороны, к нижней поверхности 22 в форме диска, на которую воздействует давление в цилиндре 1 и, с другой стороны, к верхней поверхности 24, на которую воздействует давления во впускном канале 8, при этом разница между площадями этих двух поверхностей по существу соответствует площади поперечного сечения штока 26 клапана 9.
В своем закрытом положении впускной клапан 9 удерживается на своем седле 20 автоклавным образом с помощью давления сжатого воздуха, содержащегося во впускном контуре и/или в баке 12 хранения сжатого воздуха, при этом давление в активной камере СА и в камере CD расширения двигателя является низким во время рабочих фаз расширения и выпуска.
Двигатель включает пневматический исполнительный механизм V для закрывания впускного клапана 9, который в качестве не имеющего ограничительного характера примера, расположен здесь в головке 6 цилиндра.
Исполнительный механизм V включает исполнительный цилиндр 100 и закрывающий поршень 102, который соединен для совместного перемещения со штоком 26 впускного клапана 9 и который установлен с возможностью скольжения в исполнительном цилиндре 100, внутри которого от задает герметично верхнюю камеру 104, называемую закрывающей камерой исполнительного механизма клапана 9.
Двигатель имеет канал Х1 активного распределения, который соединяет закрывающую камеру 104 с верхней частью активной камеры СА, включенной в цилиндр 1.
Верхнее максимально открытое положение впускного клапана 9 задано с помощью регулируемого стопора 30, который входит в камеру 104, и осуществляется управление осевым положением в осевом направлении движения клапана (с помощью средств, не изображенных на фигурах), с целью изменения скорости потока газа под давлением, впускаемого в цилиндр через впускной канал. Поэтому управляемый регулируемый стопор служит в качестве дроссельного клапана, управляемого с помощью акселератора. Перемещения стопора создаются, и управление ими осуществляется, например, с помощью шагового электродвигателя.
Регулируемый стопор 30 обеспечивает возможность остановки автоматического хода вверх впускного клапана 9 посредством изменения его подъема в зависимости от требуемых рабочих параметров двигателя.
Двигатель включает управляющий клапан Y для блокирования циркуляции газа в канале Х1 активного распределения, называемый активным распределительным клапаном Y, открывание которого может приводить к тому, что камера 104 закрывает впуск, соединенный с верхней частью активной камеры СА, посредством создания в закрывающей камере 104 комплементарного давления на верхней поверхности поршня 102, под действием этого поршня впускной клапан 9 прижимается к своему седлу 20 и тем самым закрывает впускной контур и заканчивает работу активной камеры СА.
Активный распределительный клапан Y затем удерживается открытым во время фазы расширения, позволяя сжатому газу, содержащемуся в закрывающей камере 104, расширяться совместно с газом, содержащимся в камере расширения, с выполнением работы, которая добавляется к работе, выполняемой зарядом газа под давлением, впускаемого перед этим в активную камеру через впускной канал.
Двигатель включает канал Х2 для управления открыванием впускного клапана 9, который соединяет верхнюю часть активной камеры СА с впускным каналом 8.
Двигатель включает управляемый клапан Z для блокирования циркуляции газа в канал Х2, называемый открывающим впускной клапан клапаном, открывание которого может приводить к соединению верхней части активной камеры СА с впускным каналом 8.
Когда поршень 2 двигателя находится вблизи своей верхней мертвой точки (см. фиг. 1В), то за счет открывания открывающего клапана Z, впускной контур в требуемое время соединяется с активной камерой СА цилиндра, обеспечивая создания в ней давления, идентичного давлению во впускном контуре и, за счет указанной выше разнице площадей, давление автоматически толкает впускной клапан 9 вверх, и впускной клапан при своем перемещении открывает впускной контур.
2
2
Например, на клапан диаметром 20 мм, управляемый с помощью штока диаметром 6 мм, так что нижняя площадь равна 3,14 см, а верхняя площадь равна 2,86 см (3-14-0,28), действует сила 28 кг для автоматического открывания впускного клапана 9 и обеспечения заполнения активной камеры СА.
Затем впускной клапан 9 закрывается за счет соединения активной камеры СА с закрывающей камерой 104 с созданием за счет этого комплементарного давления на верхней стороне поршня 102 закрывающего исполнительного механизма V, который затем толкает впускной клапан 9 на его седло 20 и закрывает/блокирует впуск для обеспечения цикла расширения из активной камеры СА в камеру CD расширения.
Как только начинается расширение (фиг. 1С) объем закрывающей камера 104 остается в соединении с камерой CD расширения двигателя, и сжатый воздух, содержащийся в закрывающей камере 104, расширяется в камеру CD расширения двигателя, выполняя работу, которая добавляется к работе расширения заряда, впускаемого в активную камеру.
В соответствии с этим, в контексте данного изобретения, клапан Y является активным распределительным клапаном, и канал Х1 является каналом активного распределения.
В конце расширения, соединение между активной камерой и камерой расширения цилиндра и закрывающей камерой 104 снова блокируется, с сохранением в ней давления, близкого к атмосферному давлению, что обеспечивает возможность выполнения нового цикла.
Таким образом, пояснена работа так называемого активного распределения, согласно изобретению, при этом энергия, необходимая для открывания и закрывания впускного клапана 9, предпочтительно обеспечивается с помощью давления в баке хранения и/или впускного контура (при открывании) и в активной камере (при закрывании), а затем используется снова для выполнения дополнительной работой в цилиндре.
Объем закрывающей камеры 104 небольшой, в качестве не имеющего ограничительного характера примера, меньше 10% объема цилиндра 1.
То же относится к каналам, соединяющим впуск и активную камеру и закрывающую камеру 104 с камерой CD расширения, проходные поперечные сечения которых вычисляются для обеспечения достаточной скорости потока для создания давления в различных камерах.
Эти различные каналы имеют небольшие диаметры, например, порядка 0,5-2 мм, для основного впускного канала с диаметром порядка 20 мм.
Предпочтительно используются клапаны Y и Z электромеханического типа, предпочтительно в виде подходящих соленоидных клапанов, просто управляемых с помощью электронного управляющего устройства (не изображено).
Кроме того, управление с помощью электронного управляющего блока и пневматический привод делают возможными скорости открывания и закрывания клапана или клапанов и фаз управления углами с высокой точностью.
В рабочем цикле активного распределения, описание которого приведено выше, объем воздуха, содержащегося в закрывающей камере, расширяется вместе с объемом активной камеры и без учета потерь в головке вследствие изменения с номинального давления до выпускного давления.
Описание фиг. 2
Дальнейшее описание дается в виде сравнения с вариантами выполнения, описание которых дано со ссылками на фиг. 1А-D.
Предыдущая конструкция пополнена дополнительным клапаном Х3, который соединяет впускной канал 8 с закрывающей камерой 104 исполнительного механизма V.
Двигатель также включает управляемый клапан Т для блокирования циркуляции газа, а именно, сжатого воздуха, в канале Х3, управляемое открывание которого приводит к соединению впускного канала 8 и/или бака 12 с закрывающей камерой 104.
Таким образом, закрывающая камера 104 имеет по меньшей мере два канала Х3 и Х1, включающие каждый управляемые блокировочные средства Т и Y, обеспечивающие возможность соединения закрывающей камеры 104 последовательно, с одной стороны, с впускным клапаном и/или баком 12 хранения высокого давления и, с другой стороны, с активной камерой и камерой расширения цилиндра.
Впускной клапан 9 закрывается посредством соединения впускного контура и/или бака хранения с закрывающей камерой 104 через канал Х3, и посредством управления открыванием клапана Т, с созданием за счет этого комплементарного давления на поверхности закрывающего поршня 102, который толкает впускной клапан 9 на седло 20 и закрывает впуск для обеспечения цикла расширения из активной камеры СА в камеру CD расширения.
Таким образом, активное расширение из закрывающей камеры 104 может задерживаться для выполнения позже в цикле посредством управления открыванием клапана Y.
Как только начинается расширение или во время расширения объем закрывающей камеры 104 соединяется с камерой CD расширения, и сжатый воздух, содержащийся в закрывающей камере 104, расширяется в камеру CD расширения с выполнением работы, которая дополняется к работе расширения заряда, впускаемого в активную камеру СА.
По существу в конце расширения, соединение между активной камерой и камерой расширения двигателя и закрывающей камерой 104 снова блокируются, сохраняя в ней давление, близкое к атмосферному давлению, обеспечивая возможность нового цикла.
Описание фиг. 3
Последующее описание дается в виде сравнения с первым вариантом выполнения, показанным на фиг. 1А-1D.
Согласно этому варианту выполнения, предусмотрены механические средства (вместо пневматических средств) для вызывания поднимания впускного клапана 9 с его седла 20, которые воздействуют на головку впускного клапана 9.
Открывание впускного клапана 9 предпочтительно упрощается за счет интегрирования такого механического устройства в случае двигателя, который должен работать по существу с постоянной скоростью вращения и поэтому не нуждается в изменении калибровки впускного отверстия.
Для этого указанные средства для управления открыванием впускного клапана 9 состоят из пальца D или плунжера, выступающего с верхней торцевой поверхности поршня 2 и проходящего вертикально вверх в направлении торцевой поверхности головки впускного клапана 9.
За счет своего расположения и своих размеров, палец D, управляющий открыванием, способен механически взаимодействовать с нижней торцевой поверхностью 22 головки впускного клапана 9 для толкания его вертикально вверх.
Во время окончания движения поршня вверх в направлении верхней мертвой точки, палец D воздействует через впускное отверстие на обращенную к нему нижнюю торцевую поверхность 22 головки впускного клапана 9 для подъема его с седла.
Когда палец D расположен на одной линии с нижней частью головки впускного клапана, то он слегка приподнимает впускной клапан, создавая утечку, которая соединяет впускной контур с активной камерой СА, создавая в закрывающей камере 104 комплементарное давление на верхнюю поверхность поршня 102, и под действием поршня 102, соединенного со штоком клапана, толкает впускной клапан 9 на его седло 20, закрывая тем самым впускной контур и завершая работу активной камеры СА.
Затем клапан проходит весь свой путь открывания под действием сил вследствие разницы давления, прикладываемых газом под давлением к соответствующим частям впускного клапана 9.
После открывания впускного клапана и начала цикла расширения, за счет движения вниз поршня 2, палец D больше не воздействует на впускной клапан 9, и остаток цикла идентичен циклу, описание которого приведено выше применительно к фиг. 1А-D, с использованием клапана Y.
Описание фиг. 4
Последующее описание дается в виде сравнения со вторым вариантом выполнения, показанным на фиг. 2.
Положение канала Х2 и связанного с ним клапана Z, управляющего впускным клапаном, изменено.
Исполнительный механизм V является исполнительным механизмом двойного действия, содержащим две герметичные камеры, разделенные поршнем 102.
Нижняя камера 105 является камерой, управляющей открыванием впускного клапана 9, которая соединена через канал Х2 с впускным каналом 8 и/или с баком 12 газа под давлением.
Таким образом, закрывающая камера 104 имеет по меньшей мере два канала Х3 и Х1, включающие каждый блокирующие управляющие средства Т, Y, обеспечивающие возможность соединения закрывающий камеры 104 последовательно, с одной стороны, с впускным контуром и/или баком 12 хранения высокого давления и, с другой стороны, с активной камерой и камерой расширения цилиндра.
Управление открыванием впускного клапана 9 осуществляется с помощью клапана Z, который подает в нижнюю камеру 105 исполнительного механизма V, называемую охлаждающей камерой, газ под давлением.
Впускной клапан 9 закрывается посредством соединения впускного контура и/или бака хранения с закрывающий камерой 104 через канал Х3 и с помощью управляющего открыванием клапана Т, с созданием за счет этого комплементарного давления на поверхность закрывающего поршня 102, который толкает впускной клапан 9 на седло 20 и закрывает впуск для обеспечения цикла расширения из активной камеры СА в камеру CD расширения.
Закрывание обеспечивается за счет того, что площадь поршня 102, подвергаемая действию давления, больше на стороне камеры 104, чем на стороне открывающей камеры 105 (разница по существу соответствует площади поперечного сечения штока впускного клапана).
Поэтому активное расширение из закрывающей камеры может задерживаться для выполнения позже в цикле посредством управления открыванием клапана Y.
Как только начинается расширение или во время расширения, объем закрывающей камеры 104 соединяется с камерой CD расширения, и сжатый воздух, содержащийся в закрывающий камере 104, расширяется в камеру расширения с выполнением работы, которая добавляется к работе расширения заряда газа, впускаемого в активную камеру.
По существу в конце расширения, соединение между активной камерой и камерой расширения цилиндра и закрывающей камерой 104 снова блокируется посредством сохранения в камере 104 давления, близкого атмосферному давлению, с обеспечением возможности выполнения нового цикла.
В соответствии с этой конструкцией, поршень 102 исполнительного механизма V последовательно управляет открыванием и закрыванием впускного клапана 9.
Согласно одному (не изображенному) варианту выполнения, возможно, что камера 104 соединяет камеру 105 с активной камерой с помощью канала X1ʹ клапана Yʹ, за счет чего образуются два параллельных контура активного распределения.
Объемы закрывающий камеры 104 и открывающей камеры 105 могут быть соединены с камерой расширения, и сжатый воздух, который содержится в них, расширяется в камеру расширения, обеспечивая возможность увеличения работы расширения впускаемого заряда газа для расширения в основном приводном цилиндре.
За счет гибкости использования и по существу не ограниченных возможностей регулирования, двигатель, снабженный активным распределением впуска, согласно изобретению, можно использовать во всех наземных, морских, рельсовых и воздушных транспортных средствах. Двигатель с активной камерой, согласно изобретению, можно также предпочтительно применять в установках резервных генераторов, а также в многочисленных бытовых установках генерирования электроэнергии, в установках нагревания и кондиционирования воздуха.
Описание двигателя с активной камерой, согласно изобретению, было дано для работы с помощью сжатого воздуха. Однако можно использовать любой сжатый газ/газ высокого давления, без выхода из объема изобретения.
Изобретение не ограничивается поясненными и представленными вариантами выполнения: указанные материалы, управляющие средства, устройства могут изменяться внутри пределов эквивалентности для достижения тех же результатов. Количество цилиндров двигателя, их вместимость, максимальный объем активной камеры относительно перемещаемого объема цилиндра (цилиндров) и количество стадий расширения могут изменяться.