FI85748C - Foerfarande och anordning foer att hydrauliskt starta en frikolvsmotor. - Google Patents

Description

85748

Menetelmä ja laite vapaamäntämoottorin käynnistämiseksi hydraulisesti. - Förfarande och anordning för att hydrauliskt starta en frikolvsmotor.

Keksinnön kohteena on menetelmä vapaamäntämoottorin käynnistämiseksi hydraulisesti. Keksinnön kohteena on myös laite, johon kuuluu vapaamäntäyksikkö, johon liittyy kaksitoiminen hydraulinen mäntäsylinterilaite, jonka sylinterit ovat yksisuuntaisten paineventtii1 ien eli painepuolen vastaventtiilien kautta yhteydessä hydrauliseen toimilaitteeseen ja yksisuuntaisten imuventtiilien kautta yhteydessä hydraulinestetankkiin.

Vapaamäntämoottorin rakenne ja toimintaperiaate on esitetty hakijan aiemmassa suomalaisessa patenttijulkaisussa 80760. Tekniikan tasona voidaan lisäksi viitata patentti julkaisuihin US-3,089,305, 3,995,974 ja 4,097,198. Vapaamäntämoottoreita kehitettäessä on erääksi ongelmaksi osoittautunut moottorin käynnistäminen. Patenttijulkaisusta US-3,995,974 tunnetussa menetelmässä käynnistys suoritetaan samalla hydraulisella mäntäsylinterilaitteella, jota käynnistyksen jälkeen käytetään moottorin voiman ulosottoon, ja hydraulisen käynnistyspaineakun ja mäntäsylinterilaitteen sylintereiden välisessä hydraulipii-rissä olevia venttiilielimiä ohjataan vaihtamaan asentoaan siten, että hydraulimännän vastakkaiset puolet tulevat vuoron perään paineistetuksi, samalla kun paineistettuun sylinteriti-laan nähden vastakkaisella puolella oleva sylinteritila tulee yhdistetyksi paluujohdon kautta tankkiin. Tällä järjestelyllä edestakainen liike saadaan synnytetyksi yksinkertaisella ja käyttökelpoisella tavalla ilman erillistä hydraulista voima-laitetta, jolloin moottorin rakenne yksinkertaistuu, paino pienenee ja hinta alenee.

Vapaamäntäyksikkö tulee kuitenkin kyetä saattamaan edestakaiseen liikkeeseen riittävällä liike-energialla ennen kuin palotapahtuma voidaan käynnistää.

2 85 748 Tätä varten olisi edullista, että käynnistyspaineena voidaan käyttää olennaisesti suurempaa painetta kuin hydraulisen män-täsylinterilaitteen ja toimilaitteen välisessä paineakussa vallitseva paine, jolla itse toimilaitetta käytetään. Tämä ei ole mahdollista, jos hydralisy1interien paine pääsee myös käynnistyksen aikana vaikuttamaan paineventtiilien yli kuorman pai-neakkuun ja paineenrajoitusventtii1 iin ja lisäksi vauhtipyörä-moottoriin, jota hydraulisylinterien paine käyttää myös moottorin normaalin käynnin aikana, kuten patenttijulkaisussa US-3,995,974. Viimeksi mainitun erityinen ongelma on siinä, että kuormalle menevä hydraulipiiri joudutaan käynnistyksen ajaksi katkaisemaan erillisellä venttiilillä. Kyseeseen tulevilla vir-tausmäärillä ja paineilla nykyisin saatavissa olevia venttii-leitä ei voida ohjata auki ja kiinni käynnistystä varten riittävällä nopeudella.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan siten parannettu menetelmä ja laite, että moottorin käynnistystä voidaan entisestään tehostaa ja nopeuttaa.

Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä siten, että käynnistyksen ajaksi hydraulisylinterien yksisuuntaiset paineventtiilit ohjataan sulkutilaan, jossa ne estävät hydraulinesteen virtauksen sylintereistä poispäin, ja käynnistymisen aikana tai välittömästi sen jälkeen paineventtiilit vapautetaan normaalitoimintaan, jossa ne sallivat hydraulinesteen virtauksen vain yhteen suuntaan, joka on sylintereistä poispäin.

Epäitsenäisissä menetelmävaatimuksissa 2-4 on esitetty yksinkertaisia ja varmatoimisia tapoja keksinnön mukaisen menetelmän erilaisten yksityiskohtien toteuttamiseksi.

Vaatimuksessa 5 on esitetty keksinnön mukaisen laitteen tunnusmerkit ja epäitsenäisissä laitevaatimuksissa 6-10 on esitetty laitteen yksityiskohtien edullisia toteutustapoja, joilla saa- 3 85748 vutetaan erityisesti hydraulisen piiri järjestelyn yksinkertaisuus ja varmatoimisuus.

Seuraavassa keksintöä havainnollistetaan suoritusesimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen käynnistysmenetelmän ja -laitteen hydraulista piirikaaviota ja kuvio 2 esittää kaavioi 1isesti vapaamäntämoottoria ja sen käynnistyksen ohjauskaaviota.

Vapaamäntämoottoriin kuuluu vapaamäntäyksikkö, jossa on keskellä hydraulimäntä 16 ja siihen liittyvän männänvarren 16a vastakkaisissa päissä moottorimännät 24 (kuvio 2). Kuviossa 1 moottorimäntiä ei ole piirretty, mutta ne tulisivat vastaavalla tavalla männänvarsien 16a päihin. Hydraulimäntä 16 jakaa sylin-teritilan kahdeksi sylinteriksi 161 ja 162, jotka moottorin normaalitoiminnan aikana toimivat pumppusy1intereinä moottorin tehon hydraulista ulosottoa varten. Keksinnössä mäntäsylinteri-laite 16, 161, 162 toimii myös moottorin käynnistysvoimalait-teena, kuten seuraavassa tarkemmin kuvataan.

1. Esivalmistelut Sähkömoottorikäyttöisel1ä apupumpulla 1 täytetään paineakku 5 takaiskuventtii1 in 3 kautta. Kytkentävettiilin 2 vasenlohko on tällöin aktiivinen.

Kytkentäventtiilin 6 vasen lohko on aktiivinen. Sen seurauksena vaihtovastaventtiilin 7 kuula on oikeassa päädyssä ja kuula-venttiilit 8 ja 9 (painepuolen vastaventtii1 it) on lukittu paineen avulla. Venttiileitä 6 ja 7 käytetään käynnistyksessä kuorman poistamiseen vapaamäntäpuinpul ta (kuormanvapautusvent-tii1 it).

4 85748

Kun paineakku 5 on täytetty, kytketään sähköisellä ohjauksella venttiilin 2 oikea pääty aktiiviseksi. Apupumppu 1 toimii tällöin järjestelmän huuhtelupumppuna.

2. Käynnistys Käynnistysyksikön muodostavat suuntaventtii1i 12 ja paineakku 5. Suuntaventtiiliä 12 vaihdellaan sähköisellä ohjauksella pää-tyasentojen välillä palotapahtumaan tarvittavien olosuhteiden aikaansaamiseksi. Vapaamännän suunnanvaihto tapahtuu välittömästi sen saavutettua jommankumman pään yläkuolokohta. Esimerkiksi suuntaventtii1 in 12 ollessa vasemmassa päädyssä (vasen pääty aktiivinen) paineakun 5 antama paineinen öljyvirtaus pääsee vapaamäntäpumpun vasempaan kammioon 161 siirtäen vapaamän-tää oikealle. Kuulaventti1 it 8 ja 9 pysyvät kiinni venttiilien 6 ja 7 kautta akusta 5 johdetun paineen avulla. Vapaamäntäpumpun oikeasta kammiosta 162 öljy virtaa takaisin säiliöön 15 suuntaventti1 in 12 ja paluujohdon 15r kautta. Kuormana vapaa-männälle on tällöin vapaamäntäyksikön 16, 24 massa, oikean päädyn puristuspaine ja paluuvirtauksen painehäviö. Kuulavent-tiilit 10 ja 11 pysyvät myös kiinni. Tämän jälkeen suuntavent-tiili 12 kytketään välittömästi toiseen ääriasentoon ja vapaa-mäntä muuttaa liikkeensä päinvastaiseksi. Tällöin vapaamännän liikuttamiseen on käytettävissä paineakun 5 paine-energia ja vastaavan päädyn moottorisylinteriin edellisellä iskulla saavutettu puristusenergia.

Kun vapaamännälle on saatu hydraulisesti riittävä energia tavoitellun puristuspaineen aikaansaamiseksi, annetaan polttoaineen ruiskutuskäsky ja laite lähtee käyntiin.

Laitteen käynnistysrutiinia voidaan muuttaa ohjelmallisesti. Tämä tarkoittaa sitä, että vapaamännän iskujen määrää päästä päähän käynnistyksessä voidaan muuttaa, ruiskutuksen alkamis-. . kohta voidaan määrätä (monennellako iskulla annetaan ruiskutus-käsky) sekä kuorman aktivointi päälle on ohjelmoitavissa va- 5 85748 päästi (laite alkaa toimia pumppuna).

3. Käynti

Polttoaineen räjähdettyä jommassa kummassa päädyssä 32, 33 asetetaan venttiilin 6 oikea lohko aktiiviseksi, jolloin kuula-venttiilin 7 (vaihtovastaventtiili) kuula siirtyy vasempaan päätyyn kuorman paineen ohjaamana. Kuul aventti1 it 8 ja 9 alkavat toimia vastaventtiileinä ja vapaamäntäpumppu alkaa toimia pumppuna siirtäen energiaa järjestelmään.

Esimerkiksi polttoaineen räjähdettyä vasemmassa päädyssä 32 liikkuu vapaamäntä oikealle ja hydraulista painetta alkaa kehittyä vapaamäntäpumpun oikeaan kammioon 162 (työvaihe oikeassa kammiossa) kuorman määräämään painetasoon. Paineinen öljy pääsee järjestelmään painejohtojen 16p ja kuulaventtiilin 9 kautta sen avautuessa ja kuulaventtii1i 8 pysyy kiinni. Samanaikaisesti kuulaventtiili 10 avautuu ja päästää öljyä vapaamäntäpumpun vasempaan kammioon 161 (imuvaihe vasemmassa kammiossa). Kuula-venttiili 11 pysyy kiinni. Järjestelmän painetason (kuormituksen) määrää hydraulimoottorin 18 kuormitus tai paineenrajoitus-venttiilillä 17 asetettu painetaso. Tämä painetaso voidaan asettaa täysin riippumattomasti siitä paineesta, joka tarvitaan käynnistystä varten paineakussa 5.

Polttoaineen räjähdyksen tapahduttua oikeassa päädyssä 33 on kuulaventtiilien 8, 9, 10 ja 11 toiminta päinvastainen.

4. Lisätoiminnot

Paineakku 13 toimii korkeapainelinjassa 16p vapaamäntäpumpulta tulevan sykkivän tilavuusvirran tasaajana sekä järjestelmän energiavarastona. Paineakun 13 asetuspaine on riippuvainen järjestelmässä käytettävästä paineesta.

Paineakku 14 varmistaa matalapainelinjassa riittävän öljyn 6 85748 saannin vapaamäntäpumpun imupuolelle (estää vapaamäntäpumpun kavitoinnin). Asetuspaine paineakulle 14 on noin 30 bar.

Paineenrajoitusventti1i1lä 22 asetetaan matalapainelinjän painetaso (30 bar).

Paineenrajoitusventtiilillä 4 asetetaan käynnistyspaine paineakulle 5. Asetuspaine on noin 200 bar. Käynnin aikana huuh-telukierron painetason määrää paineenrajoitusventtiili 22.

Pienikokoinen hydraulimoottori 19 (sarjassa toimilaitteena toimivan hydraulimoottorin 18 kanssa) toimii sähkögeneraattorin 21 ja huuhtelupumpun 20 pyörittäjänä. Generaattori 21 varaa energiaa sähköakkuun 25, mistä saadaan energia apupumpun 1 sähkö-moottorin pyörittämiseen. Huuhtelupumppu 20 toimii järjestelmän huuhtelussa ja vuotojen kompensoinnissa. Kun huuhtelupumppu 20 on toiminnassa voidaan apupumppu 1 pysäyttää. Huuhtelukierron suorittaa hydraulipumppu 20. Samoin paineenrajoitusventtiili 4 on pois käytöstä ja paineenrajoitusventtii1illä 23 asetetaan huuhtelukierron painetaso (noin 35 bar).

Sähköisesti ohjatulla proportionasiisuuntaventtii1i11ä määrätään hydraulimoottorin 18 pyörimissuunta (suuntaventtiili ei ole kuvassa).

5. Ohjauksen toiminta 5.1. Alkutilanne

Mikro-ohjain 34 tutkii tunnistimien 30 ja 31 signaaleista, kumman päädyn 32 tai 33 puolella mäntä 16 sijaitsee. Mahdollinen keskiasento tunnistetaan myös. Asentotila asetetaan muistiin.

5.2. Käynnistys

Mikro-ohjain 34 odottaa käynnistyskomentoa. Tämän saatuaan se 7 85748 tutkii käynnistysakun 5 paineen ja huomattuaan sen liian pieneksi kytkee venttiilin 2 vasemman lohkon voimaan, jolloin pumppu 1 nostaa akun 5 paineen riittäväksi. Ohjain 34 kytkee vapautusventtiilin 6 vasemman lohkon voimaan, jotta venttiilit 8 ja 9 pysyvät kiinni. Männän 16 asentotiedon perusteella mikro-ohjain 34 antaa venttiilille 12 ajokäskyn sen päädyn 32 tai 33 suuntaan, johon on pisin matka. Männän lähdettyä liikkeelle ohjain 34 tutkii tunnistinsignaaleista 30 ja 31 keskikohdan ylitystä, jonka tapahduttua se pitää venttiilin 12 ohjausta yllä ohjelmallisen viiveen ajan, minkä jälkeen se muuttaa venttiilin 12 ajokäskyn toisen päädyn suuntaan. Männän 16 liikkuessa mikro-ohjain 34 laskee männän liikenopeuden keskikohdalla anturisignaaleiden 28 ja 29 aikaeron perusteella. Varmistukseksi ohjain 34 tutkii keskikohdan ylityksen tunnistinsignaal eista 30 ja 31, jonka jälkeen se laskee pitoviiveen venttiilin 12 suuntaohjaukselle. Keskikohdalla olevan männän 16 liikenopeuden perusteella mikro-ohjain 34 päättää aloitetaanko palotapahtuma liikesuunnan puoleisessa päädyssä. Kun riittävä liike-energia on saavutettu, ohjain 34 aloittaa palotapahtuman anturisignaaleista 28, 29, 30 ja 31 lasketulla kohdalla. Mikro-ohjain 34 kytkee venttiilin 6 pumppausasentoon (pumppuventtiilien 8 ja 9 toiminta vapautuu) ohjelmoitavaa hetkeä ennen palo-tapahtumaa. Moottorin käynnistyttyä mikro-ohjain 34 kytkee venttiilin 12 keskiasentoon ja alkaa ohjata ja säätää normaalia käyntiä.

Mikro-ohjain 34 on järjestetty ohjaamaan kaikkia järjestelmän sähköisesti ohjattuja toimilaitteita. Koneen käynti voidaan pysäyttää pysäytyskytkimellä 35.

On selvää, ettei keksintö ole rajoittunut edellä esitettyyn suoritusesimerkkiin. Esimerkiksi kaksi sarjaa vastakkaisiin suuntiin toimivia yksitoimisia mäntäsylinterilaitteita voivat yhdessä muodostaa tässä selityksessä ja seuraavissa vaatimuksissa mainitun kaksitoimisen mäntäsylinterilaitteen.

Claims (10)

85748

1. Menetelmä vapaamäntämoottorin käynnistämiseksi hydraulisesti, jossa menetelmässä käynnistys suoritetaan samalla kaksitoi-misella hydraulisella mäntäsylinterilaitteella (16, 161, 162), jota käynnistyksen jälkeen käytetään moottorin voiman ulosottoon, ja hydraulisen käynnistyspaineakun (5) ja mäntäsylinte-rilaitteen sylintereiden (161, 162) välisessä hydraulipiirissä (5p) olevia venttii1ielimiä (12) ohjataan vaihtamaan asentoaan siten, että hydraulimännän (16) vastakkaiset puolet tulevat vuoron perään paineistetuksi, samalla kun paineistettuun sylin-teritilaan (161 tai 162) nähden vastakkaisella puolella oleva sylinteritila (162 tai 161) tulee yhdistetyksi paluujohdon (15r) kautta tankkiin (15), tunnettu siitä, että käynnistyksen ajaksi hydraulisylinterien (161, 162) yksisuuntaiset paineventtiilit (8, 9) ohjataan sulkutilaan, jossa ne estävät hydraulinesteen virtauksen sylintereistä poispäin, ja käynnistymisen aikana tai välittömästi sitä ennen tai sen jälkeen paineventtiilit (8, 9) vapautetaan normaalitoimintaan, jossa ne sallivat hydraulinesteen virtauksen vain yhteen suuntaan, joka on sylintereistä (161, 162) poispäin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yksisuuntaiset paineventtiilit (8, 9) ohjataan sulkutilaan käynnistyspaineakun (5) paineella.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetetelmä, tunnettu siitä, että suunnanvaihtoventtiilielimien (12) asennon vaihtoa ohjataan vapaamäntäyksikön (16, 24) paikkaa ja nopeutta tunnustelevien anturien (28-31) antamien paikka- ja nopeustietojen perusteella.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että polttonesteen ruiskutus aloitetaan vasta kun vapaamäntäyksikkö (16, 24) on saatettu tekemään ennalta 9 85748 määrätty määrä edestakaisia liikkeitä tai kun vapaamäntäyksikkö saavuttaa tietyn liike-energian ja että samanaikaisesti polttonesteen ruiskutuksen aloittamisen kanssa tai välittömästi sitä ennen tai sen jälkeen mainitut suunnanvaihtoventtii1ielimet (12) ohjataan asentoon, jossa kulloinkin toisen sylinterin (161 tai 162) yhteys käynnistyspaineakkuun (5) ja vastaavasti toisen sylinterin (162 tai 161) samanaikainen yhteys tankkiin (15) ovat molemmat katkaistut.

5. Laite vapaamäntämoottorin käynnistämiseksi hydraulisesti, johon laitteeseen kuuluu: - vapaamäntäyksikkö (16, 24), johon liittyy kaksitoiminen hydraulinen mäntäsylinterilaite (16, 16a, 161, 162) - yksisuuntaiset paineventtii1 it eli painepuolen vastaventtii-lit (8, 9), joiden kautta mainitun mäntäsylinterilaitteen sylinterit (161, 162) ovat yhteydessä hydrauliseen toimilaitteeseen (18) - yksisuuntaiset imuventtiilit (10, 11), joiden kautta mainitut sylinterit (161, 162) ovat yhteydessä hydraulinestetankkiin (15) - ensimmäiset venttiilielimet (12) käynnistyspaineakun (5) ja mainitun mäntäsylinterilaitteen sylinterien (161, 162) välisessä painejohdossa (5p) mainittujen ensimmäisten venttili-elimien (12) ollessa ohjattavissa vaihtamaan asentoaan siten, että hydraulimännän (16) vastakkaiset puolet tulevat vuoron perään paineistetuksi, samalla kun paineistettuun sylinteri-tilaan (161 tai 162) nähden vastakkaisella puolella oleva sy-linteritila (162 tai 161) tulee yhdistetyksi paluujohdon (15r) kautta tankkiin (15), ja - toiset venttiilielimet (6, 7, 8, 9) sylinterien (161, 162) ja toimilaitteen (18) välisen nestevirtauksen katkaisemiseksi käynnistyksen ajaksi, tunnettu siitä, että mainittuihin toisiin venttiilieli-miin kuuluu mainitut yksisuuntaiset paineventtiilit (8, 9), jotka on käynnistyksen ajaksi järjestetty käynnityspaineakun 10 85748 (5) paineella ohjattavaksi sulkutilaan, jossa ne estävät virtauksen sylintereistä (161, 162) toimilaitteelle (18).

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että käynnityspaineakku (5) on yhdistetty mainittuihin yksisuuntaisiin paineventtii1eihin (8, 9) mainittuihin toisiin venttii1ielimiin kuuluvien venttiilielimien (6, 7) kautta, joiden ensimmäisessä asennossa paineventtii1 it (8, 9) on ohjattu mainittuun sulkutilaan, ja toisessa asennossa paineventtiilit (8, 9) on vapautettu sallimaan yksisuuntainen virtaus sylintereistä (161, 162) toimilaitteelle (18).

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että toimilaitteelle (18) johtavassa painejohdossa (16p) on pienitehoinen hydraulimoottori (19), joka pyörittää sähköge-neraattoria (21) ja huuhtelupumppua (20).

8. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut ensimmäiset ja toiset venttiilielimet (12 ja 6) on järjestetty ohjattavaksi ohjainlaitteella (34), johon on liitetty vapaamäntäyksikön (16, 24) paikkaa ja nopeutta tunnustelevia antureita (28-31).

9. Patenttivaatimuksen 5, 7 tai 8 mukainen laite, tunnet -t u siitä, että elektroninen ohjainlaite (34) on asetettu käynnistämään polttonesteen ruiskutus vasta kun vapaamäntäyk-sikkö (16, 24) on saatettu tekemään ennalta määrätty määrä edestakaisia liikkeitä tai vapaamäntäyksikölle on annettu tietty liike-energia, ja että samanaikaisesti polttonesteen ruiskutuksen aloittamisen kanssa tai välittömästi sitä ennen tai sen jälkeen mainittu ohjauslaite (34) on järjestetty ohjaamaan mainitut ensimmäiset venttiilielimet (12) asentoon, jossa kulloinkin toisen sylinterin (161 tai 162) yhteys käyn-nistyspaineakkuun (5) ja vastaavasti toisen sylinterin (162 tai 161) samanaikainen yhteys tankkiin (15) ovat molemmat kat- 11 85748 kaistut.

10. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että hydraulisen käynnistyspaineakun (5) paine on suurempi kuin kaksitoimisen mäntäsylinterilaitteen (16) ja toimilaitteen (18) väliseen painejohtoon (16p) liittyvän paineakun (13) paine. 12 85748