Устройство для запуска свободнопоршневого двигателя с помощью гидравлической системы

 

Использование: свободнопоршневые двигатели внутреннего сгорания с гидравлическим приводом нагрузки. Сущность изобретения: запуск осуществляют с помощью гидравлического устройства "поршень цилиндр" двустороннего действия, которое после запуска используют для отбора мощности от двигателя. Между гидравлическим аккумулятором с рабочей жидкостью под пусковым давлением и гидравлическими цилиндрическими полостями устанавливается клапан, который регулируют путем изменения его положения с тем, чтобы в гидравлических цилиндрических полостях поочередно создавалось повышенное давление. Во время запуска одноходовые клапаны, установленные между гидравлическими полостями и приводом, переводят в закрытое состояние с тем, чтобы снять нагрузку с поршневого насоса. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройству запуска гидравлическим средством двигателя внутреннего сгорания, имеющего свободно перемещающийся поршень двустороннего действия, цилиндры которого через одноходовые действующие от давления контрольные клапаны связаны с гидроприводом и через одноходовой всасывающий клапан с резервуаром для рабочей жидкости.

Конструкция и принцип работы свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания описаны в патенте Финляндии N 80760. В качестве аналогов следует также указать патенты США NN 3089305, 3995974 и 4097198. Одна из проблем совершенствования свободнопоршневых двигателей внутреннего сгорания связана с процессом запуска двигателя. Согласно способу, известному из патента США N 3995974, запуск двигателя осуществляют с помощью устройства, приводимого в действие гидроцилиндром, которое после запуска используют для отбора мощности от двигателя, и клапаны, включенные в гидравлическую систему между гидравлическим аккумуятором и цилиндрами гидравлического устройства "поршень-цилиндр", переключают в положение, при котором на противоположных сторонах гидравлического устройства "поршень-цилиндр" попеременно создается повышенное давление и одновременно обеспечивается возможность соединения пространства в цилиндре, противоположного тому, в котором создается повышенное давление, через линию возврата, с гидравлическим резервуаром. При такой конструкции обеспечивается простое и полезное возвратно-поступательное перемещение без помощи предназначенного для этой цели гидравлического силового источника, благодаря чему конструкция двигателя упрощается, вес его при этом уменьшается и сводятся к минимуму расходы.

Однако еще остается необходимость повторного возвратно-поступательного движения свободнопоршневого устройства при помощи достаточной инерциальной энергии до инициирования процесса сгорания.

Следовательно, во многих устройствах было бы выгоднее использовать в качестве запускающего существенно более высокое давление по сравнению с давлением в аккумуляторе давления, расположенными между гидравлическим устройством "поршень-цилиндр" и приводом, который используется для приведения в движение собственно самого привода. Это, однако, невозможно, если позволяет давлению гидроцилиндров при запуске, кроме того, через действующие от давления контрольные клапаны воздействовать и на аккумулятор давления нагрузочного и регулирующего давление клапана, а также на двигатель с маховиком, приводимый в движение давлением гидроцилиндров при нормальных оборотах двигателя, описанного в патенте США 3995974.

Особую проблему составляет то, что связь гидравлической системы с нагрузкой отсекают на стадии запуска отдельных клапанов управления муфтой. Однако имеющиеся в настоящее время клапаны упpавления муфтой действуют слишком медленно, чтобы производить необходимые включения и выключения при наличии высоких скоростей потока и высоких давлений, рассматриваемых в данном случае.

Целью изобретения является получение устройства, которое позволяет форсировать и ускорить запуск двигателя.

Цель изобретения достигается в устройстве, в котором при запуске одноходовые действующие от давления клапаны гидроцилиндров переводят в закрытое положение, благодаря чему они препятствуют течению рабочей жидкости из цилиндров, а после запуска переводят в положение для обеспечения нормальной работы, при котором они допускают течение рабочей жидкости только в одном направлении, а именно от цилиндров.

На фиг. 1 показана схема гидравлической системы; на фиг. 2 схематическое изображение системы управления свободнопоршневого двигателя и последовательности его запуска; на фиг. 3 наиболее важные части гидравлической системы, предусматриваемой устройством для запуска двигателя в соответствии с одним альтернативным вариантом.

Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания использует свободно совершающее возвратно-поступательное движение поршневого устройство, имеющее в своей центральной части гидравлический поршень 16, соединенный посредством штока 16' с поршнями 24 двигателя (фиг. 2), которые приспособлены для соединения с концами штока. На фиг. 1 поршни двигателя не показаны, хотя предполагается, что они аналогичным образом должны подсоединяться к концам штоков 16''. Гидравлический поршень 16 делит объем цилиндра на две цилиндрические полости 161 и 162, которые при нормальной работе двигателя действуют как цилиндры насоса для отвода гидравлической энергии от двигателя. Устройство "поршень-цилиндр" 16, 161, 162, кроме того, работает как силовое пусковое устройство для двигателя, о чем подробнее говорится ниже.

При помощи электрического вспомогательного насоса 1 через контрольный клапан осуществляют загрузку аккумулятора давления. На этой стадии в действие приводится левый блок регулирующего клапана 2.

Затем в действие приводят левый блок регулирующего клапана 6. В результате шарик двухходового контрольного клапана 7 переводится вправо, а контрольные шаровые клапаны 8 и 9 контрольные клапаны стороны давления) закрываются действием давления. Клапаны 6 и 7 необходимы для снятия нагрузки со свободнопоршневого насоса во время запуска (действуют как разгрузочные клапаны).

Когда аккумулятор 5 давления загружен, электрическим регулятором в действие приводится правая сторона клапана 2. Следовательно, вспомогательный насос 1 действует как промывочный насос системы.

Пусковое устройство состоит из клапана 12 прямого действия и аккумулятора 5 давления. Электрическим управлением клапан 12 прямого действия переключают между двумя концевыми положениями, обеспечивая условия, необходимые для процесса сгорания. Происходит изменение направления действия свободнопоршневого устройства сразу после того, как поршень двигателя достигает верхней мертвой точки у любого днища цилиндра. Например, когда клапан 12 прямого действия переведен в свое левое положение (в действие приведена левая часть клапана), жидкость под повышенным давлением, поданная аккумулятором 5 давления, проходит в левую камеру 161 гидравлического насоса, перемещая при этом свободнопоршневое устройство вправо. Шаровые контрольные клапаны 8 и 9 остаются закрытыми под воздействием давления, обеспечиваемого аккумулятором 5 давления через клапаны 6 и 7. Из правой камеры 162 гидравлического насоса жидкость через клапан 12 прямого действия и линию 15г возврата возвращается в резервуар 15. Следовательно, нагрузка для свободнопоршневого устройства создается массой свободнопоршневого устройства 16, 24, давлением сжатия на правой стороне и потерями давления в обратном потоке жидкости. При этом шаровые контрольные клапаны 10 и 11 остаются закрытыми. Затем клапан 12 прямого действия немедленно переводят в другое крайнее положение, благодаря чему свободнопоршневое устройство движется в обратном направлении. Таким образом для перемещения свободно движущегося поршня используют энергию давления от аккумулятора 5 давления, а также давление сжатия, создаваемое в камере двигателя в процессе предыдущего хода поршня.

После того, как свободнопоршневое устройство гидравлическим способом получило ускоренное движение под воздействием достаточной приложенной энергии с целью создания требуемого давления сжатия, в действие приводится система управления впрыском топлива и осуществляется пуск двигателя.

Последовательность пусковых действий устройства можно изменить с помощью программного управления. Это означает, что можно изменить количество ходов, совершаемых поршнем от одного конца до другого при пуске, можно регулировать начальный момент впрыска топлива (для получения задержки, рассчитываемой по числу ходов до первого впрыска топлива) и обеспечение нагрузки свободно программируется (для перевода устройства в режим всасывания).

При воспламенения топлива в зоне любого конца 32, 33 в действие приводится правый блок 6 питания, вследствие чего шарик шарового клапана 7 (двухходового клапана) переводится влево под действием давления нагрузки. Шаровые клапаны 8 и 9 работают как контрольные клапаны, и гидравлический насос начинает осуществляться перекачивающую работу, направляя при этом энергию в систему.

Например, когда топливо воспламенено у левого конца 32, свободный поршень перемещается вправо, и давление рабочей жидкости начинает возрастать в правой камере 162 гидравлического насоса (рабочий ход совершается в правой камере) до уровня, определяемого нагрузкой. Рабочая жидкость под давлением теперь может заходить в систему через линии давления 16р и шаровой контрольный клапан 9, находящийся в открытом положении, при этом шаровой клапан 8 остается закрытым. Одновременно открывается шаровой контрольный клапан 16, пропускающий рабочую жидкость в левую камеру 161 свободнопоршневого насоса (в левой камере совершается ход впуска). Шаровой контрольный клапан 11 остается закрытым. Уровень давления в системе (то есть нагрузка определяется степенью нагружения гидромотора 19 или, в другом случае, уровнем давления, устанавливаемым регулирующим давление клапаном 17. Этот уровень давления может устанавливаться совершенно независимо от давления, необходимого для аккумулятора 5 давления, для фазы запуска.

При воспламенении топлива у правого конца 33 шаровые контрольные клапаны 8-11 работают в режиме, обратном описанному выше.

Аккумулятор 13 давления функционирует на линии высокого давления 16р как выравнивающий фильтр для пульсирующего потока жидкости, подаваемого гидравлическим насосом, и как аккумулятор энергии в системе. Давление, устанавливаемое в аккумуляторе 13 давления, зависит от линии давления, используемой в системе.

Аккумулятор 14 давления на линии низкого давления обеспечивает подачу достаточного количества жидкости к впускной стороне гидравлического насоса (во избежание кавитации в гидравлическом насосе). Заданное давление для аккумулятора давления 14 обычно составляет 30 бар.

Для регулирования уровня давления на линии низкого давления (30 бар) используется регулирующий давление клапан 22.

Для установки пускового уровня давления в аккумуляторе 5 давления служит регулирующий давление клапан 4. Заданное давление обычно составляет приблизительно 200 бар. При работе устройства уровень давления в промывочной системе регулируют регулирующим давление клапаном 22.

Для привода электрогенератора 21 и промывочного насоса 20 используют компактный гидромотор 19 (последовательно соединенный с гидромотором 18, функционирующим в качестве привода). Генератор 21 осуществляет зарядку энергией аккумулятора 25 электроэнергии, причем указанный аккумулятор в свою очередь подает энергию для вращения электропривода вспомогательного насоса 1. Промывочный насос 20 служит для промывки системы и компенсирования утечек. Когда работает промывочный насос 20, вспомогательный насос 1 может быть отключен. Гидравлический насос 20 таким образом обеспечивает промывочное циркулирование жидкости. Следовательно, регулирующий давление клапан 4 бездействует, и уровень давления (приблизительно 35 бар) промывочной циркулирующей жидкости устанавливается регулирующим давление клапаном 23.

Направление вращения гидромотора 18 определяется электрически управляемым клапаном пропорционального прямого действия (не показан).

Микрорегулятор 34 воспринимает сигналы датчиков 30 и 31, указывающие, на какой стороне концов 32, 33 находится свободно перемещающийся поршень 16. Может быть также воспринято и возможное центральное положение его. Данные об установленном положении свободно перемещающегося поршня 16 закладываются в память микрорегулятора.

Сначала микрорегулятор 34 находится в состоянии бездействия, ожидая начальной команды. По получении команды микрорегулятор считает данные о пусковом давлении аккумулятора 5 и, если он обнаруживает недолжное давление, то срабатывает левый блок клапана 2, в результате чего насос 1 повышает давление аккумулятора 5 до достаточного уровня.

Затем микрорегулятор 34 приводит в действие левый блок выпускного клапана 6 с тем, чтобы удерживать закрытыми клапаны 8 и 9. Используя данные о положении поршня 16, микрорегулятор 34 посылает пусковой сигнал клапану 12, к тому концу 32 и 33, который является наиболее дальним от данной позиции поршня. После того, как поршень приведен в движение, микрорегулятор 34 контролирует пересечение центральной точки с помощью сигналов от датчиков 30 и 31, и в случае, если это пересечение имеет место, продлевает действие пускового сигнала для клапана 12 на время, соответствующее данной задержке, а по прохождении времени задержки досылает пусковой сигнал клапану 12 для переключения на действие в обратном направлении. При движении свободноперемещающегося поршневого устройства 16 микрорегулятор вычисляет скорость движения свободно движущегося поршня в центральной точке на основе разницы времени прохождения сигналов 30 и 31 от датчиков 28 и 29. В качестве последней проверки микрорегулятор 32 удостоверяет пересечение центральной точки на основе сигналов от датчиков 30 и 31, вычисляя затем время задержки для управляющего сигнала направления клапана 12. В зависимости от скорости свободноперемещающегося поршня 16 в центральной точке микрорегулятор 34 решает инициировать ли процесс сгорания при той конечной позиции, к которой приближается поршень. Если приобретена достаточная инерциальная энергия, то микрорегулятор инициирует процесс горения при точке, вычисленной на основе сигналов датчиков 28-31. Микрорегулятор 34 устанавливает клапан 6 в положение всасывания (позволяет при этом открываться контрольным клапанам 8 и 9) и в программируемый момент, предшествующий началу процесса сгорания. При успешном запуске двигателя микрорегулятор 34 устанавливает клапан 12 в центральное положение и начинает осуществлять управление и регулирование нормальной работой двигателя.

Микрорегулятор 34 предназначен для осуществления интегрированного управления работой всех электрически управляемых приводов системы. Для отключения двигателя предусмотрен остановочный выключатель 35.

Вариант, представленный на фиг. 3, отличается от показанного на фиг. 1 тем, что вместо двухходового контрольного клапана 7 используют одноходовой контрольный клапан 7, имеющий отверстия регулирования давления для линии регулирования давления 7р, идущей от регулирующего клапана 6. Другие отличия состоят в том, что линия 16р давления на выходе соединена с нагрузкой через контрольный клапан 7, и контрольные клапаны 8 и 9 имеют свои закрывающиеся регулирующие отверстия, связанные через регулирующие линии 8р и 9р с линией нагрузки давления 16р между контрольными клапанами 8, 9 и 7. Когда клапан 6 переведен в показанное положение, управляющее давление в линии 6р и 7р воздействует на верх шарика контрольного клапана 7, закрывая тем самым последний, который перекрывает линию выходного давления 16р. Под действием давления в линии давления 16р между контрольными клапанами 8, 9 и 7 закрываются контрольные клапаны 8 и 9 через соответственно линии 8р и 9р. Указанные контрольные клапаны остаются закрытыми независимо от давления в цилиндрах 161 и 162 до тех пор, пока не будет переключен регулирующий клапан 6 для сброса регулирующего давления с контрольного клапана 7. Преимущество этого варианта заключается в том, что все контрольные клапаны 8-11 могут быть одинаковой конструкции.

Линия регулирующего давления 6р соединена с аккумулятором 5 давления (фиг. 1) для запуска двигателя. Устройство применим также и в случае, когда используют не отдельные аккумуляторы 5 и 13 для запуска двигателя и подачи нагрузки, а группу таких аккумуляторов высокого давления, образующую один аккумулятор.

В данном изобретении свободнопоршневое устройство содержит два противоположных поршня двигателя и по меньшей мере один гидравлический поршень двустороннего действия, посаженные на один и тот же совершающий возвратно-поступательное перемещение шток.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПУСКА СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, содержащее камеры сгорания двигателя с размещенными в них поршнями, жестко связанными между собой при помощи штока, гидронасос двустороннего действия с цилиндрическими полостями и поршнем, размещенным на штоке, одноходовые автоматические клапаны нагнетания, установленные в нагнетательной магистрали, сообщающей цилиндрические полости гидронасоса с силовым гидромотором и снабженной гидравлическим аккумулятором, одноходовые автоматические клапаны всасывания, установленные во всасывающей магистрали, сообщающей цилиндрические полости гидронасоса с резервуаром для рабочей жидкости, трехпозиционный четырехходовой золотник, установленный с возможностью попеременного подключения цилиндрических полостей гидронасоса посредством сливной магистрали к резервуару или посредством пусковой магистрали к гидравлическому аккумулятору и вспомогательному насосу, снабженному индивидуальным электроприводом, средство клапана отсечки потока рабочей жидкости в нагнетательной магистрали между цилиндрическими полостями гидронасоса и силовым гидромотором на период времени запуска, гидромотор малой мощности, установленный в нагнетательной магистрали между гидравлическим аккумулятором и силовым гидромотором, компьютер для управления элементами устройства по сигналам от датчиков скорости и положения поршней двигателя и гидронасоса, отличающееся тем, что одноходовые автоматические клапаны выполнены управляемыми с возможностью запора рабочей жидкости в нагнетательной магистрали по команде от средства клапана отсечки, подключенного к пусковой магистрали с гидравлическим аккумулятором, а гидромотор малой мощности служит для привода подпитывающего гидронасоса и электрогенератора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочее давление в гидравлическом аккумуляторе, включенном в пусковую магистраль, превышает рабочее давление в гидравлическом аккумуляторе, включенном в нагнетательную магистраль.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3