Поршневая резонансная машина

Изобретение относится к поршневым машинам. Поршневая резонансная машина с кривошипно-шатунным механизмом содержит датчик угловой скорости вращения вала, датчик температуры окружающей среды, датчик барометрического давления окружающей среды, датчик температуры наддувочного воздуха, датчик давления наддувочного воздуха, микропроцессорную систему управления. Микропроцессорная система управления в свою очередь содержит блок с математической моделью работы поршневой резонансной машины, первый блок сравнения, второй блок сравнения. Выходные сигналы датчика угловой скорости вращения вала, датчика температуры окружающей среды, датчика барометрического давления окружающей среды, датчика температуры наддувочного воздуха, датчика давления наддувочного воздуха подают на входы блока с математической моделью работы поршневой резонансной машины. На первый вход первого блока сравнения подают рассчитанное значение давления наддувочного воздуха, соответствующее резонансному режиму при данных измеренных значениях температуры и барометрического давления окружающего воздуха. На второй вход первого блока сравнения подают выходной сигнал датчика давления наддувочного воздуха. На первый вход второго блока сравнения подают рассчитанное значение температуры наддувочного воздуха, соответствующее резонансному режиму при данных измеренных значениях температуры и барометрического давления окружающего воздуха, на второй вход - выходной сигнал датчика температуры наддувочного воздуха. С выходов первого и второго блоков сравнения подают сигналы на входы соответственно первого и второго исполнительно-регулирующих устройств, плавно изменяющих давление и температуру наддувочного воздуха до выполнения условия минимума коэффициента неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины. Выполнение этого условия означает, что поршневая машина настроена на резонансный режим. Изобретение обеспечивает автоматическое поддержание в поршневой машине резонансного режима, минимальный коэффициент неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины. 7 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области совершенствования поршневых машин, таких как поршневые компрессоры, карбюраторные двигатели, дизели и др.

В технике широко используется явление резонанса. Как известно, при резонансе в машине, где используется это явление, любая заданная амплитуда колебаний достигается при минимальном силовом воздействии со стороны возбудителя колебаний (привода). Количество энергии, полезно расходуемой на выполнение технологического процесса, определяет эффективность машины, а соотношение этой энергии и энергии, рассеиваемой в колебательной системе и приводе, коэффициент полезного действия (КПД) машины. Таким образом, КПД машины в резонансном режиме выше, чем в нерезонансном.

Известны вибрационные машины с силовым и кинематическим возбуждением, содержащие механизмы, преобразующие непрерывное вращение валопровода в резонансные колебания колебательной системы, связанной некоторым образом с валопроводом. [1. Динамика машин и управление машинами. / В.К.Асташев, В.И.Бабицкий, И.И.Вульфсон и др.; Под ред. Г.В.Крейнина. - М.: Машиностроение, 1988. - с.с.177, 182]. Это наиболее близкие аналоги, в которых используется явление резонанса, известные авторам.

Многие традиционно использующиеся поршневые машины с шатунно-кривошипными механизмами [2. Яманин А.И., Жаров А.В. Динамика поршневых двигателей. - М.: Машиностроение, 2003. - 464 с.3. Козловский М.З. Динамика машин. - Л.: Машиностроение, 1989. - 263 с. 4. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том 1. Теория и расчет. - М.: Колос, 2000. - 456 с.] при определенных условиях также могут быть настроены на режим резонанса.

Технический результат заключается в обеспечении автоматического поддержания в поршневой машины резонансного режима. Этому режиму будет соответствовать минимум коэффициента неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины, что определяет минимум динамической ошибки по угловой скорости.

Технический результат достигается тем, что поршневая резонансная машина с кривошипно-шатунным механизмом содержит датчик угловой скорости вращения вала, датчик температуры окружающей среды, датчик барометрического давления окружающей среды, датчик температуры наддувочного воздуха, датчик давления наддувочного воздуха, микропроцессорную систему управления, которая в свою очередь содержит блок с математической моделью работы поршневой резонансной машины, первый блок сравнения, второй блок сравнения; причем выходные сигналы датчика угловой скорости вращения вала, датчика температуры окружающей среды, датчика барометрического давления окружающей среды, датчика температуры наддувочного воздуха, датчика давления наддувочного воздуха подают на входы блока с математической моделью работы поршневой резонансной машины; на первый вход первого блока сравнения подают рассчитанное значение давления наддувочного воздуха, соответствующее резонансному режиму при данных измеренных значениях температуры и барометрического давления окружающего воздуха, а на второй вход первого блока сравнения - выходной сигнал датчика давления наддувочного воздуха; на первый вход второго блока сравнения подают рассчитанное значение температуры наддувочного воздуха, соответствующее резонансному режиму при данных измеренных значениях температуры и барометрического давления окружающего воздуха, на второй вход второго блока сравнения - выходной сигнал датчика температуры наддувочного воздуха; с выходов первого и второго блоков сравнения подают сигналы на входы соответственно первого и второго исполнительно-регулирующих устройств, плавно изменяющих давление и температуру наддувочного воздуха до выполнения условия минимума коэффициента неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины, причем выполнение этого условия означает, что поршневая машина настроена на резонансный режим.

Изобретение поясняется графическими изображениями, где:

фиг.1 - схема колебательной системы с грузом и двумя механическими пружинами;

фиг.2 - зависимость амплитуды возмущающей силы в функции угловой частоты при постоянном значении амплитуды колебаний груза;

фиг.3 - кинематическая схема поршневого двигателя двухстороннего действия;

фиг.4 - индикаторная диаграмма поршневого двигателя двухстороннего действия;

фиг.5 - коэффициент неравномерности угловой скорости вращения коленчатого вала в функции угловой скорости вращения коленчатого вала;

фиг.6 - блок-схема резонансной поршневой машины;

фиг.7 - блок-схема микропроцессорной системы управления.

На схеме груз массой m, находящийся между двумя пружинами одинаковой жесткости, совершает вынужденные колебания с амплитудой А под действием гармонической силы

F=F0sinωτ.

Здесь:

F0 - амплитуда силы;

ω - частота возмущения;

τ - время.

Дифференциальное уравнение движения груза

mx+μх+2сх=F0sinωτ,

где μ - коэффициент вязкого сопротивления,

х=х(τ) - перемещение тела.

На фиг.2 приведена зависимость амплитуды возмущающей силы в функции угловой частоты при постоянном значении амплитуды колебаний груза. Режиму резонанса (ω=ωрез) соответствует минимальное значение амплитуды возмущения. Рассмотрим теперь поршневой двигатель двухстороннего действия, кинематическая схема которого приведена на фиг.3, и индикаторную диаграмму этого двигателя, приведенную на фиг.4. Выделим справа от точки Рс (ϕ>0, ϕ - текущая координата угла поворота кривошипа) часть индикаторной диаграммы, симметричную левой. Рс - максимальное значение давления сжатия, Pz - максимальное значение давления сгорания. Вместе с левой частью выделенная правая в дальнейшем будет называться пружинной составляющей индикаторной диаграммы (область S). Оставшуюся часть будем называть производительной (область S1). Между схемами на фиг.1 и 3 можно увидеть аналогию. Массы, совершающие поступательное движение (поршни, обводная рамка, отнесенные к поступательному движению части масс шатунов), ведут себя аналогично грузу, изображенному на фиг.1. Амплитуда колебаний здесь равна радиусу кривошипа. Также имеются пружины (пружинные составляющие индикаторных диаграмм). Имеется и возмущающее воздействие (сумма производительных составляющих индикаторных диаграмм и сил сопротивления - вертикальные составляющие взаимодействия поршня с шатунами и цилиндрами). Данная система относится к классу автоколебательных и при некоторых соотношениях массы частей, совершающих поступательное движение, параметров индикаторной диаграммы и средней угловой скорости вращения коленчатого вала ωрез (резонансной угловой скорости) можно добиться режима авторезонанса. В этом случае наблюдается увеличение КПД, существенное снижение усилий в сочленениях шатунно-кривошипного механизма, а также снижение коэффициента неравномерности угловой скорости вращения вала (фиг.5). Важно отметить, что частота свободных колебаний рассмотренной системы зависит от массы частей, совершающих поступательное движение, а также от характеристики упругости рабочего тела в цилиндре. В эксплуатации весьма сложно изменять значение массы, но воздействовать на жесткость газа - пружины возможно.

Величина ωрез в основном зависит от температуры и количества газа в начале движения поршня к верхней мертвой точке, степени сжатия и инерционных характеристик автоколебательной системы. Для эффективного резонансного режима необходимо влиять на угловую скорость ω или параметры рабочего процесса, от которых зависит ωрез таким образом, чтобы поддерживать равенство ω=ωрез.

При изменении характеристики наддува в цилиндрах поршневой машины изменяется пружинная составляющая индикаторной диаграммы. Выбирая соответствующим образом характеристику наддува, можно добиться того, что каждый эксплуатационный режим будет близок к резонансному. Значение резонансной угловой скорости ωрез для поршневой машины может быть получено путем численного моделирования.

Предлагаемая поршневая резонансная машина 6 (фиг.6) с кривошипно-шатунным механизмом содержит первое исполнительно-регулирующее устройство 7, предназначенное для плавного изменения давления наддувочного воздуха рнв, второе исполнительно-регулирующее устройство 8, предназначенное для плавного изменения температуры наддувочного воздуха tнв, датчик 9 угловой скорости вращения вала поршневой машины ωпм, датчики 10 и 11 соответственно температуры и барометрического давления окружающего воздуха, датчики 12 и 13 соответственно температуры и давления наддувочного воздуха, микропроцессорную систему управления 14. Микропроцессорная система управления в свою очередь содержит блок 15 (см. фиг.7) с математической моделью работы поршневой резонансной машины, первый блок сравнения 16, второй блок сравнения 17.

Поршневая резонансная машина работает следующим образом. В блоке 10, на вход которого подают выходные сигналы датчиков 9, 10, 11, 12 и 13, определяют путем численного моделирования значение угловой скорости вращения вала ωрез, а также значения температуры и давления наддувочного воздуха, при которых наступает резонанс в данной колебательной системе при данных измеренных значениях температуры tи и барометрического давления ри окружающего воздуха (на фиг.7 ωи - измеренное значение угловой скорости вращения вала). Выставляют значения и (грубая регулировка). При этом непрерывно измеряют угловую скорость вращения вала, температуру и давление наддувочного воздуха, температуру и барометрическое давление окружающего воздуха, а также непрерывно рассчитывают коэффициент неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины в соответствии с выражением

где

ωmax - максимальная угловая скорость вращения вала;

ωmin - минимальная угловая скорость вращения вала;

ωср. - средняя угловая скорость вращения вала.

В блоке 15 проводят сравнение рассчитанного ωрез и измеренного ωи значений угловой скорости вращения вала, в первом блоке сравнения 16 - сравнение рассчитанного и измеренного значений давления наддувочного воздуха, во втором блоке сравнения 17 - сравнение рассчитанного и измеренного значений температуры наддувочного воздуха. Сигналы рассогласования Δрнв и Δtнв с выходов первого и второго блоков сравнения подают соответственно на первые входы первого и второго исполнительно-регулирующих устройств, плавно изменяющих давление и температуру наддувочного воздуха до тех пор, пока не наступит резонансный режим. Давление и температуру наддувочного воздуха автоматически подстраивают до выполнения условия минимума коэффициента неравномерности вращения вала поршневой машины 5 (тонкая регулировка). Причем на второй вход первого блока сравнения подают измеренное значение датчика 12, а на второй вход второго блока сравнения - измеренное значение датчика 13. Выполнение условия минимума коэффициента неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины 5 означает, что поршневая машина настроена на резонансный режим.

Поршневая резонансная машина с кривошипно-шатунным механизмом, отличающаяся тем, что содержит датчик угловой скорости вращения вала, датчик температуры окружающей среды, датчик барометрического давления окружающей среды, датчик температуры наддувочного воздуха, датчик давления наддувочного воздуха, микропроцессорную систему управления, которая, в свою очередь, содержит блок с математической моделью работы поршневой резонансной машины, первый блок сравнения, второй блок сравнения; причем выходные сигналы датчика угловой скорости вращения вала, датчика температуры окружающей среды, датчика барометрического давления окружающей среды, датчика температуры наддувочного воздуха, датчика давления наддувочного воздуха подают на входы блока с математической моделью работы поршневой резонансной машины; на первый вход первого блока сравнения подают рассчитанное значение давления наддувочного воздуха, соответствующее резонансному режиму при данных измеренных значениях температуры и барометрического давления окружающего воздуха, а на второй вход первого блока сравнения - выходной сигнал датчика давления наддувочного воздуха; на первый вход второго блока сравнения подают рассчитанное значение температуры наддувочного воздуха, соответствующее резонансному режиму при данных измеренных значениях температуры и барометрического давления окружающего воздуха, на второй вход второго блока сравнения - выходной сигнал датчика температуры наддувочного воздуха; с выходов первого и второго блоков сравнения подают сигналы на входы соответственно первого и второго исполнительно-регулирующих устройств, плавно изменяющих давление и температуру наддувочного воздуха до выполнения условия минимума коэффициента неравномерности угловой скорости вращения вала поршневой машины, причем выполнение этого условия означает, что поршневая машина настроена на резонансный режим.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к поршневым машинам. .

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливовпрыскивающей аппаратуре двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и способам определения параметров воздуха, впускаемого в ДВС.

Изобретение относится к транспортным средствам, а именно к системам управления двигателями внутреннего сгорания инжекторного и карбюраторного типа, и предназначено для предотвращения несанкционированного запуска двигателя в целях угона автомобиля или другого транспортного средства.

Изобретение относится к способам определения массового расхода воздуха в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), в частности для определения циклового массового наполнения воздухом конкретной рабочей камеры ДВС, и может быть использовано в системах управления ДВС.

Изобретение относится к устройству для измерения массового расхода текучей среды, в частности впускаемого в двигатель внутреннего сгорания воздуха. .

Изобретение относится к двигателестроению и предназначено для управления подачей топлива в двигатель внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к электронному регулированию топливоподачи в двигателях внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к способу определения массы воздуха, подаваемого в цилиндр двигателя внутреннего сгорания, для контроля соотношения воздух/топливо в качестве составной части системы управления двигателем.

Изобретение относится к двигателестроению и позволяет снизить токсичность и повысить топливную экономичность. .

Изобретение относится к поршневым машинам. .

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием. .

Изобретение относится к дизельным электрическим агрегатам, работающим на внешнюю переменную нагрузку в составе дизеля и электрического генератора, и предназначено для регулирования дизеля, входящего в состав электрического агрегата.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам регулирования оборотов холостого хода автомобильных двигателей внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам регулирования оборотов холостого хода автомобильных двигателей внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам регулирования оборотов холостого хода автомобильных двигателей внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и предназначено для регулирования соотношения компонентов топливно-воздушной смеси. .

Изобретение относится к поршневым машинам. .
Наверх