способ управления поршневой машиной с регулированием хода поршня и поршневая машина

Формула изобретения

1. Способ управления поршневой машиной, заключающийся в изменении положения мертвых точек и хода поршня, возвратно-поступательного движущегося в цилиндре поршневой машины, путем смещения шарнира сочлененного шатуна, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращение выходного вала, в сторону от оси цилиндра и возврата шарнира к оси цилиндра под действием рычага, одним концом воздействующего на шарнир сочлененного шатуна, а другим - взаимодействующего с приводом, перемещающим ось качания рычага, отличающийся тем, что ось качания рычага при помощи реверсивного элемента перемещают приводом по прямой линии, пересекающей ось цилиндра, причем изменение положений мертвых точек и хода поршня осуществляют при его движении от мертвой точки с фиксированным положением оси качания рычага путем ее перемещения по прямой линии и последующей ее фиксации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поршень останавливают в мертвых точках на необходимое время путем смещения шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра при повороте кривошипа выходного вала на участке от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке и возврата шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра при повороте кривошипа выходного вала на участке от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость поршня увеличивают путем смещения шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке и возврата шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость поршня уменьшают путем смещения шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке и возврата шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в случае использования поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания изменяют степень сжатия за счет того, что такты впуска и сжатия осуществляют с различными величинами хода поршня.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что в случае использования поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания такт рабочего хода осуществляют с большей величиной хода поршня, чем такты впуска и сжатия.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что вращение выходного вала останавливают, а движение поршня осуществляют за счет перемещения оси качания рычага.

8. Поршневая машина, содержащая корпус, по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, сочлененный шатун, выполненный из двух соединенных между собой шарниром частей, первая из которых связана с поршнем, а вторая - с выходным валом, рычаг, связанный одним концом с шарниром сочлененного шатуна, а другим - с приводом, выполненным с возможностью перемещения оси качания рычага, причем шарнир сочлененного шатуна выполнен с возможностью смещения от оси цилиндра и возврата к оси цилиндра под действием рычага и привода, отличающаяся тем, что ось качания рычага связана с приводом через реверсивный элемент с возможностью ее перемещения по прямой линии, пересекающей ось цилиндра.

9. Машина по п. 8, отличающаяся тем, что выходной вал выполнен в виде коленчатого вала, ось вращения которого перпендикулярна оси цилиндра, а вторая часть шатуна связана с шатунной шейкой коленчатого вала.

10. Машина по п.8, отличающаяся тем, что выходной вал выполнен в виде коленчатого вала, ось вращения которого параллельна оси цилиндра, а вторая часть шатуна связана с качающейся шайбой, размещенной на косом кривошипе коленчатого вала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к поршневым машинам, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания с регулированием хода поршня и способам управления ими, а также может найти применение в газовых и жидкостных насосах.

Известен способ управления поршневой машиной, а именно двигателем внутреннего сгорания, заключающийся в изменении положений мертвых точек и хода поршня, возвратно-поступательно движущегося в цилиндре двигателя, путем смещения шарнира сочлененного шатуна, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращение выходного вала, в сторону от оси цилиндра и возврата шарнира к оси цилиндра под действием рычага, одним концом воздействующего на шарнир сочлененного шатуна, а другим - взаимодействующего с приводом, перемещающим ось качания рычага (см. заявку ФРГ N 3107244, кл. F 02 D 15/02, 1982).

Из указанного источника известен и двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, сочлененный шатун, выполненный из двух соединенных между собой шарниром частей, первая из которых связана с поршнем, а вторая - с выходным валом, рычаг, связанный одним концом с шарниром сочлененного шатуна, а другим - с приводом, выполненным с возможностью перемещения оси качания рычага, причем шарнир сочлененного шатуна выполнен с возможностью смещения от оси цилиндра и возврата к оси цилиндра под действием рычага и привода.

Однако известное техническое решение характеризуется недостаточно эффективным регулированием хода поршня и рабочего объема двигателя, что снижает эффективность его работы.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы поршневой машины.

Поставленная задача в части способа решается тем, что в способе управления поршневой машиной, заключающемся в изменении положений мертвых точек и хода поршня, возвратно-поступательно движущегося в цилиндре поршневой машины, путем смещения шарнира сочлененного шатуна, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращение выходного вала, в сторону от оси цилиндра и возврата шарнира к оси цилиндра под действием рычага, одним концом воздействующего на шарнир сочлененного шатуна, а другим - взаимодействующего с приводом, перемещающим ось качания рычага, согласно изобретению ось качания рычага при помощи реверсивного элемента перемещают приводом по прямой линии, пересекающей ось цилиндра, причем изменение положений мертвых точек и хода поршня осуществляют при его движении от мертвой точки с фиксированным положением оси качания рычага путем ее перемещения по прямой линии и последующей ее фиксации.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что поршень останавливают в мертвых точках путем смещения шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра при повороте кривошипа выходного вала на участке от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ) и возврата шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра при повороте кривошипа выходного вала на участке от ВМТ к НМТ.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что скорость поршня увеличивают путем смещения шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра при движении поршня от ВМТ к НМТ и возврата шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра при движении поршня от НМТ к ВМТ.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что скорость поршня уменьшают путем смещения шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра при движении поршня от НМТ к ВМТ и возврата шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра при движении поршня от ВМТ к НМТ.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что в случае использования поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания изменяют степень сжатия за счет того, что такты впуска и сжатия осуществляют с различными величинами хода поршня.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что в случае использования поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания такт рабочего хода осуществляют с большей величиной хода поршня, чем такты впуска и сжатия.

Поставленная задача в части способа решается также тем, что вращение выходного вала останавливают, а движение поршня осуществляют за счет перемещения оси качания рычага.

Поставленная задача в части поршневой машины решается тем, что в поршневой машине, содержащей корпус, по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, сочлененный шатун, выполненный из двух соединенных между собой шарниром частей, первая из которых связана с поршнем, а вторая - с выходным валом, рычаг, связанный одним концом с шарниром сочлененного шатуна, а другим - с приводом, выполненным с возможностью перемещения оси качания рычага, причем шарнир сочлененного шатуна выполнен с возможностью смещения от оси цилиндра и возврата к оси цилиндра под действием рычага и привода, согласно изобретению ось качания рычага связана с приводом через реверсивный элемент с возможностью ее перемещения по прямой линии, пересекающей ось цилиндра.

Поставленная задача в части машины решается также тем, что выходной вал может быть выполнен в виде коленчатого вала, ось вращения которого перпендикулярна оси цилиндра, а вторая часть шатуна связана с шатунной шейкой коленчатого вала.

Поставленная задача в части машины решается также тем, что в варианте выходной вал может быть выполнен в виде коленчатого вала, ось вращения которого параллельна оси цилиндра, а вторая часть шатуна связана с качающейся шайбой, размещенной на косом кривошипе коленчатого вала.

На фиг. 1 представлен общий вид поршневой машины с коленчатым валом, ось вращения которого перпендикулярна оси цилиндра; на фиг. 2 - кинематическая схема поршневой машины с коленчатым валом, ось вращения которого перпендикулярна оси цилиндра; на фиг. 3 - кинематическая схема поршневой машины с коленчатым валом, ось вращения которого параллельна оси цилиндра, и качающейся шайбой; на фиг. 4 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при остановке поршня; на фиг. 5 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при увеличенной величине хода поршня от ВМТ к НМТ; на фиг.6 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при увеличенной величине хода поршня от НМТ к ВМТ; на фиг. 7 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при стандартной величине хода поршня; на фиг. 8 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при величине хода поршня, равной 1,5 стандартным величинам хода поршня; на фиг. 9 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при величине хода поршня, равной 2,0 стандартным величинам хода поршня; на фиг. 10 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при остановке коленчатого вала и движении поршня за счет перемещения оси качания рычага; на фиг. 11 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при увеличении скорости поршня; на фиг. 12 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при уменьшении скорости поршня; на фиг. 13 - положение звеньев кривошипно-шатунного механизма при изменении степени сжатия.

Предлагаемая поршневая машина содержит корпус 1, по меньшей мере один цилиндр 2 с головкой 3 и размещенным в нем поршнем 4, сочлененный шатун 5, выполненный из двух соединенных между собой шарниром 6 частей 7 и 8, первая 7 из которых связана с поршнем 4, а вторая 8 - с выходным валом 9, рычаг 10, связанный одним концом с шарниром 6 сочлененного шатуна 5, а другим концом, где расположена его ось 11 качания, - с приводом (не показан) через реверсивный элемент 12 с возможностью перемещения оси 11 качания по прямой линии Х-Х", пересекающей ось У-У" цилиндра 2, и смещения шарнира 6 сочлененного шатуна 5 от оси У-У" цилиндра 2 и возврата к ней. В случае выполнения выходного вала 9 в виде коленчатого вала ось вращения которого перпендикулярна оси У-У" цилиндра 2, вторая часть 8 шатуна 5 связана с шатунной шейкой коленчатого вала, у которого имеется маховик 13 (фиг.1,2,4-13). В варианте выходной вал 9 может быть выполнен в виде коленчатого вала, ось Z-Z" вращения которого параллельна оси У-У" 2 цилиндра (фиг.3). В этом случае вторая часть 8 шатуна 5 связана с качающейся шайбой 14, размещенной на косом кривошипе коленчатого вала. Последний вариант выполнения выходного вала 9 позволяет использовать изобретение и в аксиально-поршневых машинах.

Способ управления поршневой машиной осуществляется следующим образом.

В зависимости от требуемых условий работы поршневой машины изменяют положения мертвых точек возвратно-поступательно движущегося в цилиндре 2 поршня 4, вследствие чего изменяется величина его хода, а это позволяет регулировать рабочий объем цилиндра 2 и степень сжатия. Изменение положений мертвых точек поршня 4 осуществляют путем смещения шарнира 6 сочлененного шатуна 5, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня 4 во вращение выходного вала 9, в сторону от оси У-У" цилиндра 2 (в этом случае расстояние от положений мертвых точек поршня 4 до оси выходного вала 9 уменьшается, так как положения мертвых точек ВМТ₁ и НМТ₁ смещаются в положения ВМТ₂ и НМТ₂) и возврата шарнира 6 к оси У-У" цилиндра 2 (в этом случае расстояние от положений мертвых точек поршня 4 до оси выходного вала 9 увеличивается, так как положения мертвых точек ВМТ₂ и НМТ₂ приближаются или возвращаются к положениям ВМТ₁ и НМТ₁). Смещение шарнира 6 сочлененного шатуна 5 от оси У-У" цилиндра 2 и возврат его к оси У-У" происходит под действием рычага 10, одним концом воздействующего на шарнир 6, а другим концом, где расположена его ось 11 качания, взаимодействующего с приводом (не показан). При этом при движении поршня 4 от мертвой точки ось 11 качания рычага 10 при помощи реверсивного элемента 12 перемещают приводом по прямой линии Х-Х" от фиксированного положения, например, в точке а до последующей ее фиксации, например, в точке b. В случае необходимости увеличения величины хода поршня 4 по сравнению со стандартной величиной при его движении осуществляют перемещение оси 11 качания рычага 10 из фиксированного положения в точке а до фиксированного положения в точке d или в точке е (фиг.5,8,9). Для остановки поршня 4 в мертвых точках (фиг.4) при вращающемся выходном вале 9 ось 11 качания рычага 10 перемещают из точки b в точку а и обратно. При этом шарнир 6 сочлененного шатуна 5 смещают из точки h в точку g, т.е. возвращают к оси У-У" цилиндра 2 при повороте кривошипа выходного вала 9 на участке от ВМТ к НМТ. При повороте кривошипа выходного вала 9 на участке от НМТ к ВМТ шарнир смещают из точки g в точку h, т.е. смещают от оси У-У". В случае использования поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания остановка поршня 4 в ВМТ позволяет осуществить сгорание топлива при постоянном объеме, что повышает полноту его сгорания и уменьшает теплоотвод в стенке цилиндра 2. Остановка поршня 4 в НМТ улучшает процессы продувки и наполнения цилиндра 2 в двухтактном двигателе. Для увеличения скорости поршня 4 шарнир 6 сочлененного шатуна 5 смещают от оси У-У", перемещая ось 11 качания рычага 10 из точки а в точку с при движении поршня 4 от ВМТ к НМТ, и возвращают к оси У-У", перемещая ось 11 качания рычага 10 из точки с в точку а при движении поршня 4 от НМТ к ВМТ (фиг.11). Для уменьшения скорости поршня 4 шарнир 6 сочлененного шатуна 5 смещают от оси У-У", перемещая ось 11 качания рычага 10 из точки а в точку с при движении поршня 4 от НМТ к ВМТ, и возвращают к оси У-У", перемещая ось 11 качания рычага 10 из точки с в точку а при движении поршня 4 от ВМТ к НМТ (фиг.12). В случае использования поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания степень сжатия изменяют за счет того, что такты впуска рабочего заряда и его сжатия осуществляют с различными величинами хода поршня 4, фиксируя ось 11 качания рычага 10 в точках а и f (фиг.13). Для осуществления более полного расширения продуктов сгорания в двигателе и тем самым получения дополнительной мощности на выходном валу 9, а также более полного сгорания топлива и снижения токсичности отработавших газов целесообразно на такте рабочего хода увеличивать величину хода поршня 4 по сравнению с величиной хода поршня 4 на тактах впуска и сжатия (фиг.8,9). В случае использования поршневой машины в качестве насоса для жидкостей или газов при остановленном выходном вале 9 движение поршня 4 осуществляют за счет перемещения оси 11 качания рычага 10, производя рабочий цикл.