Газораспределительный механизм и впускной клапан поршневого привода
GAS DISTRIBUTION MECHANISM AND INLET VALVE OF PISTON DRIVE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к машинам объемного действия, в частности, к поршневым приводам, использующим потенциальную энергию расширения газообразного рабочего тела для производства механической энергии и может быть использовано для организации рабочего цикла привода, например, цикла Ренкина.
В состав поршневых приводов входят газораспределительные механизмы, обеспечивающие впуск рабочего тела в цилиндр при движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) и отвод отработанного рабочего тела при движении поршня от НМТ к ВМТ.
Известны газораспределительные механизмы, имеющие в своем составе впускной и выпускной клапаны поступательного действия, уплотняемые по границе с седлами, и кулачковый распределительный вал, приводящий клапан в движение непосредственно или посредством промежуточных элементов (толкателей, коромысел, рокеров, рычагов и т.д.). При этом каждый клапан открывается и закрывается за счет воздействия индивидуального кулачка заданного профиля, который ориентирован относительно других кулачков таким образом, чтобы обеспечить необходимый порядок работы клапанов отдельных цилиндров и фазы цикла газораспределения для каждого из цилиндров. (Биргер И.А., Дружинин Н.И., Житомирский В.К. и др. Авиационные поршневые двигатели. Кинематика, динамика и расчет на прочность. Пособие для инженеров. - М.: Оборонгиз, 1950. - 871 с.)
По своему конструктивному исполнению различают газораспределительные механизмы с нижним расположением клапанов, верхним расположением клапанов, смешанные, а также механизмы с верхним и нижним расположением распределительного вала. При всех своих отличиях данные механизмы имеют общий принцип действия, заключающийся в циклическом воздействии кулачкового механизма на клапан.
Такие газораспределительные механизмы получили широкое распространение в поршневых четырехтактных двигателях внутреннего сгорания, где фазы всасывания и выхлопа составляют около  оборота коленчатого вала, или  оборота распределительного вала. В этом случае оказывается возможным обеспечить гладкий профиль кулачка и безударную работу кулачкового механизма при больших частотах вращения коленчатого вала. В том случае, когда по условиям термодинамического цикла требуется обеспечить определенную фиксированную фазу заполнения цилиндра, соответствующую углам поворота вала привода в пределах 40-90°, времена подъема и особенно опускания впускного кулачка оказываются неприемлемо большими, также оказывается технически трудно реализуемым обеспечить плавную безударную работу кулачкового механизма, в том числе за счет усиления возвратной пружины и улучшения массово-инерционных характеристик подвижных частей впускного клапана. Существенным недостатком данной схемы также является необходимость повышения жесткости пружины клапана при повышении рабочего давления в целях обеспечения его герметичности и требуемой длительности фазы заполнения цилиндра, что ограничивает возможности регулировок в процессе эксплуатации и требует индивидуальной подгонки параметров газораспределительного механизма под условия применения. При этом термодинамический цикл на фазе совершения приводом полезной работы при движении поршня от ВМТ до НМТ далек от идеального цикла и приводит к снижению КПД такого привода.
Известен газораспределительный механизм, основанный на самодействующем клапане [Поршневая расширительная машина: Патент RU 2183288, м. кл. F04B 39/10, F04B 53/10 / Калекин B.C.; Бычковский Е.Г.; Ваняшов А.Д.; Кезь Д.Н.], в котором выхлоп осуществляется через радиальные отверстия в боковых стенках цилиндра, а впуск рабочего тела через нормально открытое отверстие в головке цилиндра, перекрываемое запорным элементом под воздействием перепада давления над ним и в цилиндре. При достижении поршнем выпускных окон часть рабочего тела покидает цилиндр, давление в нем падает, а оставшаяся часть рабочего тела сжимается при ходе поршня верх, открывая запорный элемент для подачи следующей порции рабочего тела. Указанная выше работа совершается за счет того, что в известной поршневой расширительной машине, содержащей цилиндр с поршнем и выхлопными окнами, впускной штуцер, крышку цилиндра, самодействующий нормально открытый клапан, ограничитель, запорный элемент в самодействующем нормально открытом клапане выполнен в виде упругой пластины, консольно закрепленной между ограничителем и клапанной доской. Кроме того, самодействующий нормально открытый клапан дополнительно содержит регулировочный и направляющий винты, установленные в нижней части крышки цилиндра, причем направляющий винт подпружинен.
Наиболее близким аналогом впускного клапана поршневого привода является нормально открытый самодействующий клапан по патенту RU 2183288, выполненный с регулируемой высотой подъема запорного элемента и содержащий запорный элемент, выполненный в виде упругой пластины, регулировочный и направляющий винты, установленные в нижней части крышки цилиндра, причем направляющий винт подпружинен.
Недостатком данной конструкции является неэффективное использование рабочего объема, выраженное в частичной продувке цилиндра с неполной сменой рабочего тела, а также многократное воздействие (сжатие) со стороны поршня на один и тот же элемент объема рабочего тела. Кроме того, газораспределительные механизмы такого типа, имеющие самодействующие клапаны, открывающиеся за счет сжатия остаточных газов в цилиндре, не могут обеспечить оптимальные параметры термодинамического цикла Ренкина, поскольку их закрытие происходит в конце рабочего хода, при достижении поршнем выпускных окон, в то время как максимальное использование внутренней энергии рабочего тела возможно только при частичном заполнении цилиндра и более раннем закрытии впускного клапана. Поэтому КПД таких приводов низок.
Наиболее близким аналогом газораспределительного механизма поршневого привода является механизм клапана-отсечки пневматического привода газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания [Клапан-отсечка пневматического привода газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания: Патент RU 2403409, м. кл. F01L 9/02 / Рыбаков А.А.]. Пневматический привод механизма (ПП) включает поршень привода газораспределительного клапана, соединенный с газораспределительным клапаном, золотник, пневмоаккумулятор (ПА) и систему управления ПП, обеспечивающую газообмен в двигателе. Для этого электронная система управления ПП отслеживает текущее положение поршня двигателя и в момент, когда требуется открыть или закрыть газораспределительный клапан двигателя, устанавливает золотник в положение, обеспечивающее поступление рабочего тела из ПА в полость поршня привода газораспределительного клапана, в которой рабочее тело, воздействуя на поршень привода газораспределительного клапана, открывает или закрывает газораспределительный клапан. Зарядка ПА рабочим телом из камеры сгорания (КС) осуществляется на такте сжатия и на такте расширения. Привод снабжен клапаном-отсечкой, имеющим поршень и соединенный с ним запорный клапан. Полость поршня привода запорного клапана соединена трубопроводом с ПА, и при повышении давления рабочего тела в ПА сверх оптимального, рабочее тело из ПА поступает в полость поршня привода запорного клапана и переводит запорный клапан в закрытое положение. Такое выполнение позволяет автоматически обеспечить оптимальный уровень зарядки ПА.
Недостатком данной конструкции является то, что устройству необходима электронная система контроля положения поршня, которая в нужный момент времени перемещает распределительный золотник в положение, необходимое для открытия или закрытия клапана. Увеличение частоты срабатывания электромагнитного привода, как известно, вызывает затруднения по причине электромагнитного гистерезиса, необходимости в сложной схеме управления, обеспечивающей безударную работу быстродействующего электромагнита путем формирования заданного закона изменения тока в катушке электромагнита.
Кроме того, при многоцилиндровой схеме такое управление газораспределительным механизмом не гарантирует его стабильной работы на высоких частотах вращения в силу индивидуальных динамических характеристик каждого золотника и отсутствия синхронизации в их работе.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - создание газораспределительного механизма и впускного клапана, предназначенных для обеспечения быстродействия работы одноцилиндровых и многоцилиндровых поршневых приводов, функционирующих по термодинамическому циклу Ренкина.
Поставленная задача решается предлагаемым газораспределительным механизмом поршневого привода, содержащим по меньшей мере одну головку цилиндра, впускной и выпускной клапаны с седлами, корпусы клапанов, бистабильные распределители с золотниками, причем клапаны выполнены с возможностью продольного перемещения в корпусах клапанов. Привод снабжен распределителями с золотниками, над каждым из цилиндров закреплено седло впускного клапана, внутри отверстия впускного клапана установлен толкатель впускного клапана, на нижнем конце которого, со стороны поршня, закреплена нажимная пята, рабочая пружина расположена в кольцевом зазоре между корпусом клапана и впускным клапаном, опираясь на седло клапана и впускной клапан. В свою очередь пружина толкателя расположена в кольцевом зазоре между толкателем клапана и впускным клапаном, опираясь на толкатель и корпус клапана, причем в верхней части корпуса клапана установлен золотник распределителя и корпус клапана закрыт заглушкой. Пружина распределителя опирается одной стороной на заглушку, а другой стороной на золотник распределителя, а в теле головки блока цилиндров выполнен канал, в котором установлен золотник бистабильного распределителя. Толкатели выполнены с возможностью перемещения под воздействием поршней, размещенных в цилиндрах и с возможностью перемещения золотников распределителей и подачи рабочего тела через образовавшиеся зазоры для смещения золотников бистабильных регуляторов. В головке блока цилиндров над каждым из цилиндров закреплено седло выпускного клапана, соосно с которым установлен выпускной клапан, имеющий с противоположной стороны поршень, расположенный в полости головки блока цилиндров, причем возвратная пружина расположена соосно с выпускным клапаном, кроме того внутри головки блока цилиндров и корпусов клапанов выполнены отверстия и каналы, соединяющие элементы конструкции с пневматической схемой.
Техническим результатом предложенного изобретения является оптимизация термодинамического цикла на фазе совершения приводом полезной работы при движении поршня от ВМТ до НМТ, тем самым повышение КПД такого привода. Для решения задачи предложено применить впускной клапан такой конструкции, которая бы обеспечивала контроль положения поршня в цилиндре, открытие клапана в верхней мертвой точке и его закрытие при заданном угле поворота коленчатого вала, причем впускные клапаны нескольких цилиндров, работающих в противофазе, посредством системы пневматических распределителей обеспечивали бы жесткий цикл газораспределения по всем цилиндрам и управление выпускными клапанами без применения внешних систем управления любого типа.
Также техническим результатом является преодоление перечисленных выше недостатков и ограничений, которые накладывает кулачковый механизм управления клапанами, недостатков, присущих самодействующим клапанам и исключения применения электронной управляющей системы работы клапанов электромагнитными приводами. При этом достигается увеличение КПД, упрощение конструкции приводов, повышение надежности работы, снижение материалоемкости.
Для достижения указанного технического результата предложен впускной клапан поршневого привода, содержащий корпус клапана и седло клапана, причем впускной клапан установлен с возможностью продольного перемещения внутри корпуса клапана. Внутри отверстия впускного клапана установлен толкатель клапана, на нижнем конце которого закреплена нажимная пята, при этом рабочая пружина расположена в кольцевом зазоре между корпусом клапана и впускным клапаном, опираясь на седло клапана и впускной клапан, а пружина толкателя расположена в кольцевом зазоре между толкателем клапана и впускным клапаном, опираясь на толкатель и корпус клапана.
На фиг. 1 представлен поперечный разрез газораспределительного механизма, на фиг. 2 - пневматическая схема управления работой выпускных клапанов для варианта конструкции газораспределительного механизма двухцилиндрового привода, где 19 - это выхлоп 1 цилиндра, 20 - выхлоп 2 цилиндра, 21 - бистабильный распределитель, 22 - распределитель впускного клапана 1 цилиндра, 23 - распределитель впускного клапана 2 цилиндра. Для приводов с большим числом цилиндров принцип действия газораспределительного механизма остается неизменным. В этом случае выпускные клапаны группируются по признаку совпадения фаз цикла газораспределения и управляются параллельно.
Устройство состоит из головки 1 блока цилиндров, установленной на блок 2 цилиндров, в котором размещены поршни 3, связанные с кривошипно-шатунным механизмом (не показан) таким образом, что движутся в противофазе. В головке 1 блока цилиндров над каждым из цилиндров закреплено седло 4 клапана, в котором в свою очередь установлен впускной клапан 5, с возможностью продольного перемещения внутри корпуса клапана 6. Внутри отверстия впускного клапана 5 установлен толкатель 7 клапана, на нижнем конце которого, со стороны поршня 3, закреплена нажимная пята 8. Рабочая пружина 9 расположена в кольцевом зазоре между корпусом 6 клапана и впускным клапаном 5, опираясь на седло 4 клапана и впускной клапан 5. Пружина 10 толкателя расположена в кольцевом зазоре между толкателем 7 клапана и впускным клапаном 5, опираясь на толкатель 7 и корпус 6 клапана. В верхней части корпуса клапана 6 установлен золотник распределителя 11. В свою очередь корпус 6 клапана закрыт заглушкой 12. Пружина 13 распределителя опирается одной стороной на заглушку 12, а другой стороной на золотник 11 распределителя. В теле головки 1 блока цилиндров выполнен канал, в котором установлен золотник 14 бистабильного распределителя.
В головке 1 блока цилиндров над каждым из цилиндров закреплено седло выпускного клапана 15, соосно с которым установлен выпускной клапан 16, имеющий с противоположной стороны поршень 17, расположенный в полости головки 1. Возвратная пружина 18 расположена соосно с выпускным клапаном 15.
Внутри головки 1 блока цилиндров и корпусов 6 клапанов выполнены отверстия и каналы, соединяющие элементы конструкции в соответствии с пневматической схемой, представленной на фиг. 2.
Кроме того, для приводов с одним цилиндром или многоцилиндровых приводов без пневматического управления выпускными клапанами выпускной клапан может иметь любую известную конструкцию и принцип действия, например, с приводом от кулачкового механизма или электромагнитный.
Устройство работает следующим образом.
Исходное положение устройства, представленное на фиг. 1, соответствует положению поршня 3 в первом цилиндре (на фиг. 1 слева) в ВМТ.
В каналы, обозначенные стрелками на фигуре 1, под давлением подается рабочее тело. При движении первого поршня 3 вверх по направлению к ВМТ поршень 3 касается нажимной пяты 8 и перемещает толкатель 7 вверх. По мере перемещения поршня 3 вверх нажимная пята 8 упирается в тело впускного клапана 5 и частично открывает его на величину начального зазора. Клапан 5, находившийся в закрытом состоянии под воздействием пружины 10 толкателя и давления рабочего тела со стороны впускного канала, указанного стрелкой на фиг. 1, открывается под действием рабочей пружины 9, поскольку давления под клапаном 5 и над ним при образовании начального зазора выравниваются, и клапан 5 переходит в открытое состояние.
Одновременно с открытием впускного клапана 5 при перемещении толкателя 7 под воздействием поршня 3 верхняя часть толкателя 7 смещает золотник 11 распределителя, преодолевая усилие пружины 13 распределителя, и поток рабочего тела через образовавшийся зазор смещает золотник 14 бистабильного распределителя вправо, что приводит к соединению полости над поршнем 17 выпускного клапана второго цилиндра с областью высокого давления, которое, преодолевая усилие возвратной пружины 18, открывает выпускной клапан 16 второго цилиндра, обеспечивая выхлоп из него при движении поршня 3 второго цилиндра вверх.
После достижения поршнем 3 первого цилиндра верхней мертвой точки и полного открытия впускного клапана 5 первого цилиндра рабочее тело заполняет первый цилиндр, перемещая поршень 3 первого цилиндра вниз и одновременно с этим обеспечивает движение поршня 3 второго цилиндра вверх за счет их кинематической связи через кривошипно-шатунный механизм (не показан). По мере перемещения поршня 3 первого цилиндра вниз толкатель 7 первого цилиндра под воздействием пружины 10 следует за поршнем, закрывая золотник 11 и при дальнейшем движении вниз соединяет полость слева от бистабильного золотника с полостью выхлопа. При достижении толкателем 7 контакта с впускном клапаном 5 под воздействием пружины толкателя 10 клапан 5 начинает закрываться, и его полное закрытие происходит после прерывания контакта между нажимной пятой 8 и поршнем 3 первого цилиндра. В этот момент давление над впускным клапаном 5 нарастает и прижимает его к седлу 4 клапана. Окончание фазы впуска определяется длиной толкателя 7. Далее поршень 3 первого цилиндра движется вниз под воздействием расширяющегося рабочего тела до НМТ. При этом поршень 3 второго цилиндра, вытесняя рабочее тело из цилиндра через открытый выпускной клапан 16 второго цилиндра сначала соприкасается с толкателем 7 второго цилиндра, а при достижении ВМТ открывает посредством толкателя 7 золотник 11 второго цилиндра, что приводит к смещению бистабильного распределителя 14 влево, закрытию выпускного клапана 16 второго цилиндра под воздействием возвратной пружины 18 и открытию выпускного клапана 16 первого цилиндра за счет воздействия давления на поршень выпускного клапана 17.
Далее процесс повторяется циклически. Момент закрытия выпускного клапана 16 каждого цилиндра опережает достижение поршнем 3 верхней мертвой точки за счет упреждения открытия соответствующего золотника 11.
На фиг. 3 представлена конструкция впускного клапана для одноцилиндрового газораспределительного механизма с положением поршня в ВМТ без выпускного клапана и элементов управления им. Для приводов с одним цилиндром или многоцилиндровых приводов без пневматического управления выпускными клапанами выпускной клапан может иметь любую известную конструкцию и принцип действия, например, с приводом от кулачкового механизма или электромагнитный.
Впускной клапан располагается в головке цилиндра 1, размешенной на цилиндре 2, внутри которого перемещается поршень 3 и состоит из седла клапана 4, клапана 5, корпуса клапана 6, толкателя 7 с нажимной пятой 8, рабочей пружины 9 и пружины толкателя 10.
Устройство работает следующим образом.
Впускной клапан изначально находится в закрытом состоянии под воздействием давления рабочего тела со стороны впускного канала и силы пружины толкателя 7. При движении поршня 3 вверх по направлению к ВМТ поршень 3 касается нажимной пяты 8 и перемещает толкатель 7 вверх. По мере перемещения поршня 3 вверх нажимная пята 8 упирается в тело клапана 5 и частично открывает его на величину начального зазора. Клапан 5 открывается под действием рабочей пружины 9, поскольку давления под впускным клапаном и над ним при образовании начального зазора выравниваются, а толкатель 7 прекращает воздействовать на клапан 5 посредством пружины толкателя 10, и клапан 5 переходит в открытое состояние.
При движении поршня 3 вниз по направлению к НМТ толкатель 7 упирается в клапан 5 и усилием пружины толкателя 10, преодолевая усилие рабочей пружины 9, опускает клапан 5 в сторону закрытия. При этом в тот момент, когда контакт между нажимной пятой 8 и поршнем 3 разрывается, толкатель 7 окончательно закрывает клапан 5. Таким образом, угол закрытия клапана 5 определяется длиной толкателя 7 со стороны нажимной пяты 8 которая может быть рассчитана по формуле:
где ϕ - угол закрытия впускного клапана, рад;
l - вылет толкателя 7 с нажимной пятой 8 ниже ВМТ поршня 3;
R - радиус кривошипа коленчатого вала;
ш
ш
λ=R/l, где l - длина шатуна кривошипно-шатунного механизма поршневого привода.
При этом достигается решение главной задачи по обеспечению быстродействия газораспределительного механизма и реализации термодинамического цикла, близкого к идеальному.
Преимуществом представленной схемы является высокое быстродействие впускных клапанов при углах закрытия в диапазоне углов поворота вала привода 40°…90° во всем рабочем диапазоне давлений, безударная работа при его открытии, обусловленная сравнительно малой скоростью движения поршня в окрестностях верхней мертвой точки, а также высокая стабильность работы выпускных клапанов при многоцилиндровой схеме, поскольку их движения управляются единым золотником бистабильного распределителя. Использование во впускных клапанах давления рабочей среды для прижатия их к седлу позволяет снизить силовую нагрузку на механизм и предотвратить утечку рабочего тела через впускной клапан при повышении давления над ним. Преимуществом данного изобретения также является приближение реального термодинамического цикла к идеальному на фазе совершения приводом полезной работы при движении поршня от ВМТ до НМТ, тем самым повышение КПД такого привода, упрощение его конструкции, снижение материалоемкости и повышение стабильности и надежности работы газораспределительного механизма.