Способ управления газовым потоком в компрессоре - RU2327899C2

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу управления газовым потоком в компрессоре, в котором объем увеличивается в течение такта впуска, и введенный объем газа сжимается и выходит через обратный клапан и/или управляемый клапан в течение такта выпуска, причем в компрессоре имеется управляемый впускной клапан с пневматическим, гидравлическим или электромагнитным приводом, который открывается и закрывается по сигналу из системы управления.

Компрессоры этого типа существуют во множестве вариантов, но самым распространенным из них является поршневой компрессор, называемый также объемным компрессором. Для осуществления изобретения такой компрессор должен иметь управляемый впускной клапан. Однако предпочтительно, чтобы в компрессоре имелся также обратный впускной клапан, который может быть выключен, и управляемый выпускной клапан. Изобретение пригодно для обеспечения переменной потребности в сжатом газе при сниженном расходе энергии и уменьшенном воздействием на окружающую среду по сравнению с известными способами.

Изобретение применимо к объемным компрессорам для промышленного использования, транспортных средств и двигателей транспортных средств, топливных емкостей и т.д.

Изобретение может быть осуществлено только при помощи системы управления. Решающим для функционирования системы является ее программное обеспечение. Программное обеспечение, которое используется для практической реализации настоящего изобретения, может быть частью программного обеспечения большей системы управления, например системы управления работой двигателя.

Поскольку наиболее распространенным объемным компрессором является поршневой компрессор, изобретение будет описано на примере поршневого компрессора.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Объемные компрессоры, в особенности поршневые компрессоры, обычно работают при постоянной и относительно небольшой скорости вращения вала. Обычно впускные клапаны и выпускные клапаны представляют собой обратные клапаны, которые ограничивают газовый поток при достижении двигателем больших скоростей вращения вала.

Регулировку потока обычно выполняют путем запуска компрессора, когда давление в связанном с ним резервуаре падает ниже определенного уровня, и остановки компрессора при достижении определенного уровня давления. Частые пуски и остановки компрессора приводят к сильному износу компрессора и большому потреблению энергии.

Согласно другому общепринятому способу управления газовый поток, идущий к впускному обратному клапану, перерывают с помощью запирающего клапана при достижении определенного давления в резервуаре, связанном с компрессором, в то время как компрессору позволяют продолжать осуществлять рабочие циклы, но без наличия сжимаемого газа. Когда давление в резервуаре упадет ниже определенного уровня, газовый поток вновь открывают.

Когда потребность в сжатом газе не является слишком частой, первый тип управления является наиболее экономичным. Когда потребность в газе является более частой, существенно более экономичным является последний тип управления. Однако перекрытие/открытие газового потока происходит относительно медленно. Это означает, что даже при самом быстром перекрытии потока будет выполнено множество рабочих циклов без сжатия газа. Кроме того, медленное перекрытие/открытие приведет к существенным потерям расхода. Поэтому резервуар и компрессор должны иметь большие размеры, чем они были бы в том случае, если бы перекрытие газового потока в компрессор можно было осуществить за время одного рабочего цикла. Кроме того, быстрое закрытие/открытие снизило бы потери расхода.

В результате использования настоящего изобретения газовый поток не ограничивается, как имеет место в вышеописанном случае использования обратного клапана, при этом поток воздуха может быть перекрыт/открыт быстро и может быть перекрыт в течение такого короткого времени, как один единственный рабочий цикл. Таким образом, по сравнению с известными способами можно снизить потребление энергии и воздействие на окружающую среду, а также размеры компрессора и резервуара.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание способа управления газовым потоком в компрессоре, преодоление вышеуказанных недостатков и обеспечение изменяющихся потребностей в сжатом газе при более быстром управлении и более равномерном уровне давления и, одновременно, снижение потребления энергии и воздействия на окружающую среду по сравнению с известными способами.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения достигается с помощью компрессора, в котором объем увеличивается в течение такта впуска и в котором введенный объем газа сжимается и выпускается через обратный клапан в течение такта выпуска, причем в компрессоре имеется управляемый впускной клапан с пневматическим, гидравлическим или электромагнитным приводом, который открывают и закрывают по сигналу из системы управления, при этом способ управления отличается тем, что впускной клапан удерживают закрытым в течение по меньшей мере части такта впуска. Другие признаки изложены в последующем описании и в формуле изобретения.

В контексте настоящего описания компрессор является объемным компрессором и, в частности, поршневым компрессором.

При использовании терминов "управляемый впускной клапан", "управляемый выпускной клапан", "обратный впускной клапан", "обратный выпускной клапан" и т.п. подразумеваются и другие возможные варианты выполнения, в которых может применяться большее количество клапанов указанных типов.

Кроме того, предполагается, что компрессор может состоять из множества компрессоров, например, являться многоцилиндровым поршневым компрессором, в котором каждый цилиндр является отдельным поршневым компрессором и в котором каждый отдельный компрессор работает в соответствии с описанием и формулой изобретения.

Общим признаком объемных компрессоров является увеличение объема в течение такта впуска. Когда объем увеличивается, его заполняют газом, например воздухом, который входит через клапан, обычно обратный клапан. По окончании такта впуска объем, в котором заключен введенный газ, уменьшают и газ выпускают через клапан, обычно обратный клапан. Поршневой компрессор представляет собой самый общий тип объемного компрессора; в поршневом компрессоре объем, который увеличивается, и объем, который уменьшается, представляет собой один и тот же объем. Кроме того, имеются, например, вращательные объемные компрессоры, где объем, который увеличивается, не совпадает с объемом, который уменьшается. В поршневом компрессоре поршень перемещается в цилиндре между двумя мертвыми точками, называемыми верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой, соответственно. Перемещение поршня от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки приводит к увеличению объема во время такта впуска, как сформулировано в ограничительной части п.1 формулы изобретения. Перемещение поршня от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки приводит к сжатию поступившего газа и выходу его через выпускной обратный клапан в течение такта выпуска, как сформулировано в ограничительной части п.1 формулы изобретения.

Обычно имеется впускной обратный клапан и выпускной обратный клапан, расположенные в верхней мертвой точке. Когда поршень в течение такта впуска перемещается от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, увеличивается объем емкости между поршнем и верхней мертвой точкой, и этот объем заполняется через впускной обратный клапан. От нижней мертвой точки в течение такта выпуска поршень перемещается к верхней мертвой точке, и при этом объем емкости между поршнем и верхней мертвой точкой уменьшается. Вначале заключенному в объем газу некуда выходить, и, соответственно, сам объем уменьшается, а давление газа в нем возрастает. Когда давление в заключенном в объем газе становится в достаточной степени выше, чем давление с другой стороны от выпускного обратного клапана, последний открывается, и по мере продолжения перемещения поршня к верхней мертвой точке газ выходит из объема. В настоящем описании такт впуска с последующим тактом выпуска называется циклом. Полный цикл выполняется в течение полного оборота вала компрессора.

По сравнению с вышеописанными известными техническими решениями важные преимущества достигаются, если перекрытие потока можно осуществить за такой краткий период времени, как один отдельный цикл. Как сказано в начале описания, при помощи управляемого клапана один единственный такт впуска может быть выполнен при закрытом впускном клапане, а это означает, что в течение такта впуска газ не поступает. Это автоматически приводит к тому, что никакой газ не выходит в течение такта выпуска. Соответственно, в течение одного цикла газовый поток перекрывается. Такт впуска, выполненный при закрытом впускном клапане, называется тактом закрытого впуска.

Для практической реализации способа согласно настоящему изобретению необходимы управляемые клапаны, прежде всего управляемый впускной клапан. Однако в варианте выполнения настоящего изобретения предпочтительно, кроме уже имеющегося обратного выпускного клапана, иметь также управляемый выпускной клапан. Управляемые клапаны обеспечивают протекание существенно большего потока воздуха, чем это возможно в настоящее время в компрессорах при использовании современных обратных клапанов. Таким образом, можно работать при значительно большей скорости вращения вала, что позволяет использовать более компактные поршневые компрессоры, по сравнению с применяемыми сегодня. Кроме того, применяя впускной обратный клапан совместно с газопроводом, который может быть перекрыт, например, при помощи механических средств, когда установлено, что получено определенное количество воздуха под определенным давлением, можно получить существенное преимущество за счет добавления вспомогательной функции. Вспомогательная функция будет работать даже тогда, когда поврежден управляемый впускной клапан и/или выпускной клапан. При использовании управляемого впускного клапана его можно закрыть не только в течение всего такта впуска, в данном случае такта закрытого впуска, но и в течение части такта впуска, причем эта часть может изменяться от цикла к циклу. Соответственно, способ согласно настоящему изобретению основан на закрытии впускного клапана в течение по меньшей мере части такта впуска с целью управления объемом выпуска в течение такта выпуска. Кроме того, очевидно, что закрытие имеет место в течение последовательности циклов, в которой обычно имел бы место обычный такт впуска, и что работа компрессора состоит из множества последовательных циклов, состоящих из тактов впуска и тактов выпуска.

Стратегия управления в способе управления состоит в том, что для подачи такого количества сжатого газа, которое необходимо в каждый данный момент, управляют частотой повторения циклов с тактом закрытого впуска, причем эта частота изменяется от 0% до 100% от числа оборотов в минуту; это позволяет достичь значительной экономичности в работе. Например, если система управления выбирает частоту 0%, то не происходит циклов с тактом закрытого впуска, и газ будет поступать при каждом обороте компрессора, при частоте 100% каждый цикл осуществляется с тактом закрытого впуска, при частоте 50% цикл с тактом закрытого впуска будет выполнен каждый второй оборот, при частоте 20% цикл с тактом закрытого впуска будет выполнен для каждого пятого оборота, а при частоте 10% цикл с тактом закрытого впуска будет выполнен для каждого десятого оборота. Соответственно, цикл с тактом закрытого впуска может быть выполнен, например, для каждого второго, каждого третьего, каждого четвертого, каждого пятого оборота и т.д. В течение оставшихся циклов/оборотов в течение такта впуска газ подается. При частоте между 50% и 100% за циклом с тактом закрытого впуска будет непосредственно следовать один, два или более последовательных циклов, т.е. ряд последовательных циклов, с тактом закрытого впуска. Например, при циклах с 80% тактов закрытого впуска соответствующее распределение должно включать один единственный цикл с нормальным тактом впуска, который происходит после непрерывной последовательности из четырех циклов с тактами закрытого впуска, а затем должен следовать еще один непрерывный ряд из четырех циклов с тактами закрытого впуска, за которыми следует другой единственный цикл с нормальным тактом впуска, и т.д. Для поддержания как можно более равномерным уровня давления в резервуаре для сжатого газа, связанном с компрессором, и для уменьшения размеров резервуара система управления должна обеспечивать в общем одинаковое число оборотов между каждыми циклами или между каждыми непрерывными последовательностями циклов с тактами закрытого впуска. Изобретение можно также описать как способ обеспечения непосредственной потребности в сжатом газе путем использования некоторой частоты циклов с нормальным тактом впуска, что дает тот же результат.

Другая стратегия управления в способе управления, которая в предпочтительном случае может быть объединена с регулировкой частоты, которая была описана выше, обеспечивает непосредственную потребность в сжатом газе с использованием циклов, в которых управляемый клапан, по решению системы управления, закрыт в течение части такта впуска где-либо на пути поршня от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки. Эта часть рассматриваемого такта впуска может различаться от цикла к циклу. Такая предпочтительная возможность позволяет уменьшить размеры резервуара для хранения сжатого газа или даже сформировать резервуар за счет трубопровода, по которому сжатый газ идет из компрессора к оборудованию, где он используется. Возможность минимизации пространства для хранения сжатого газа является результатом того, что изменение потребности в сжатом газе сопровождается по существу одновременным изменением производства этого газа, причем производится именно такое количество сжатого газа, которое требуется в данный момент.

Управляемые впускные и, возможно, выпускные клапаны позволяют, благодаря значительному снижению потерь расхода, значительно увеличить пропускную способность при заданном объеме, который в поршневом компрессоре равен внутреннему объему цилиндра между двумя мертвыми точками поршня. Это означает, что поршневой компрессор может быть связан, например, с валом двигателя транспортного средства, и что скорость вращения компрессора непосредственно или через редуктор следует за скоростью вращения двигателя. В случае варианта осуществления изобретения, включающего транспортное средство, термин газ должен быть заменен на воздух. Поршневой компрессор может, например, использоваться для подачи сжатого воздуха в двигатель внутреннего сгорания, для управления клапанами с пневматическим приводом двигателя и/или самого компрессора, для пневматической инжекции топлива, для тормозной системы и т.д. Характерной особенностью является то, что при высоких скоростях вращения и большой потребности в сжатом воздухе, что имеет место при работе двигателя, впускной клапан может быть закрыт после того, как поршень достигнет нижней мертвой точки, в результате чего можно подать большее количество сжатого воздуха по сравнению со случаем, когда закрытие впускного клапана происходит до того, как поршень достигает нижней мертвой точки. Другой возможностью повысить производительность компрессора при работе двигателя является соединение его трубопровода подачи воздуха с существующим воздуховодом, идущим к двигателю, где сжатый воздух производится турбиной или винтовым компрессором, работающим на выхлопных газах. Предпочтительным является соединение после имеющегося промежуточного охладителя. Соединение с трубопроводом подачи воздуха в двигателе транспортного средства после воздушного фильтра и до какого-либо имеющегося дросселя является допустимым, даже если отсутствует оборудование для сжатия воздуха, поскольку в данном случае воздух уже прошел через воздухоочистительный фильтр.

Вышеописанная вспомогательная функция, особенно полезная при работе двигателя, также является одним из признаков настоящего изобретения. Она определяет признак, который обусловливает определенную производительность подачи сжатого воздуха или любого другого газа всегда под контролем. Вышеуказанная вспомогательная функция полезна при каком-либо повреждении в любом управляемом клапане. Но, кроме того, она дает возможность немедленного создания давления воздуха, которое используется, например, для пуска с помощью электрического стартера двигателя с пневматической инжекцией топлива в случае, когда полностью отсутствует остаточное давление в напорном воздушном резервуаре или трубопроводе для подачи сжатого воздуха. То же самое применимо, если, например, имеются управляемые клапаны с пневматическим приводом. Когда впускные и выпускные обратные клапаны, соответственно, имеют большую пропускную способность, и имеются запирающие элементы с пневматическим, гидравлическим или электромагнитным приводом, которые расположены рядом с впускным обратным клапаном или до него, вспомогательная функция дает также возможность выполнения, с некоторой частотой, циклов с тактом закрытого впуска или циклов, в которых управляемый запирающий элемент закрыт в течение части рассматриваемого такта впуска, когда поршень находится где-либо на пути от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки, причем эта часть определяется системой управления.

Как было сказано выше, предлагаемый способ включает вариант, в котором управляемый выпускной клапан также имеет пневматический, гидравлический или электромагнитный привод. Кроме того, этот способ характеризуется тем, что управляемый выпускной клапан открывают при достижении равновесия давлений между газом, который должен быть выпущен, и газом с противоположной стороны от выпускного клапана. Важно избегать какого-либо контакта между поршнем и выпускным клапаном, и поэтому предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения отличается тем, что выпускной клапан открывается в направлении от цилиндра, то есть в направлении перемещения поршня в течение сжатия и выпуска. Если выпускной клапан открывается в противоположном направлении, то есть навстречу перемещению поршня, он должен закрыться достаточно рано, чтобы избежать какого-либо контакта с поршнем. В таких случаях комбинация управляемого выпускного клапана и обратного выпускного клапана особенно предпочтительна, при этом сохраняется возможность выпустить то количество сжатого газа, которое в противном случае осталось бы в цилиндре. Однако достаточно легкий контакт поршня в случае, когда остается достаточно малое расстояние до полного закрытия выпускного клапана, не является вредным, а может быть использован для обеспечения хорошего выпуска. Однако при этом подразумевается, что выпускной клапан перемещается вдоль оси или в направлении, которое совпадает с направлением перемещения поршня.

Из приведенного выше и последующего описания очевидно, что абсолютно необходимой является электронная система управления с необходимыми датчиками и другими компонентами, включая компьютерную программу, разработанную для конкретной цели.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже настоящее изобретение будет описано со ссылкой на чертеж, где схематично показан компрессор с поршнем.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На чертеже схематично показан цилиндр компрессора с поршнем 1. Поршень показан в момент перемещения в течение такта впуска, когда воздух (или любой другой газ) течет через открытый впускной клапан 2. Впускной клапан 2 и закрытый выпускной клапан 3 выполнены в виде управляемых клапанов с пневматическим, гидравлическим или электромагнитным приводом. Для управления клапанами 2 и 3 используется схема 4. Блок 5 управления функционально связан со схемой 4 для управления сигналами схемы и клапанами 2 и 3, которые связаны со схемой. Сжатый воздух выходит через выпускной клапан 3 и/или обратный выпускной клапан 6 через трубопровод 7 в резервуар 8. С помощью датчика 9 в резервуаре 8, который функционально связан с блоком 5 управления, в блок управления непрерывно поступает информация о давлении в резервуаре. Датчик 10, который установлен около градуированного круга 12, насаженного на вал 11 компрессора, функционально связан с блоком 5 управления и непрерывно подает в блок управления информацию, позволяющую вычислить скорость вращения вала и положение поршня в цилиндре 1. Блок 5 управления определяет момент, когда управляемые клапаны 2 и 3 должны открыться или закрыться. Вал 11 компрессора связан, например, с электродвигателем или с двигателем транспортного средства (соединение не показано). Воздух, поступающий через впускной клапан 2, предпочтительно может быть подвергнут предварительному сжатию, например, с помощью турбины, работающей от выхлопных газов двигателя транспортного средства. Предпочтительно, чтобы воздух для сжатия забирался после промежуточного охладителя (соединение не показано), который может иметься в транспортном средстве. Выпускной обратный клапан 6 и впускной обратный клапан 13, снабженный запирающим элементом 14, обеспечивают выполнение вспомогательной функции. Через трубопровод 15 запирающий элемент 14 связан с резервуаром 8. Если давление в резервуаре 8 падает ниже заданного уровня, запирающий элемент 14 открывается, например, под действием механической пружины 16, так что воздух для сжатия будет поступать через впускной обратный клапан 13. Эта вспомогательная функция означает, что количество сжатого воздуха можно снизить до заданного значения, когда управляемый впускной клапан 2 закрыт или вышел из строя. Это важно, чтобы иметь возможность приводить транспортное средство в движение, по меньшей мере в некоторой степени, с помощью пневматических элементов, например, для инжекции топлива или работы тормозных систем. Если, например, управляемые клапаны 2 и 3 имеют пневматический привод, а давление в резервуаре 8 слишком мало для работы этих клапанов, то вспомогательная функция должна обеспечить, чтобы давление в резервуаре оказалось достаточным для работы клапанов 2 и 3, что достигается с помощью пружины 16 в запирающем элементе 14, который связан с обратным клапаном 13, перекрывающим входящий поток. Когда управляемые клапаны 2 и 3 имеют пневматический привод, имеется трубопровод для перемещения воздуха (не показан) между клапанами и резервуаром 8. Сжатый воздух, например, для вспомогательной системы транспортного средства, поступает из резервуара 8 через соединение 17. Для описанной вспомогательной функции необходимы только небольшие обратные клапаны 13 и 6. Потребность в большой пропускной способности удовлетворяется с помощью управляемых клапанов 2, 3. В течение тактов сжатия, когда впускной обратный клапан 13 закрыт под действием запирающего элемента 14, выпускной клапан 3 должен открыться при достижении равновесия давлений между воздухом в резервуаре 8 и воздухом, который сжимается в цилиндре 1. Датчик 18, функционально связанный с блоком 5 управления, регистрирует давление в цилиндре. В блоке управления это давление сравнивается с давлением в резервуаре с целью проверки того, что выпускной клапан 3 был приведен в действие при правильном угловом положении коленчатого вала. Согласно альтернативному варианту выполнения изобретения небольшой выпускной обратный клапан 6 и управляемый выпускной клапан 3 заменяют одним или несколькими выпускными обратными клапанами. Согласно еще одному варианту выполнения изобретения впускной обратный клапан 13 и управляемый впускной клапан 2 заменяют большим впускным обратным клапаном, а запирающий элемент 14 заменяют быстродействующим управляемым элементом, который, как клапаны 2 и 3, способен перекрыть поток воздуха, который должен быть сжат, в течение такого короткого времени, как один цикл.

Реферат

Изобретение относится к способу управления потоком газа в компрессоре, в котором объем увеличивается в течение такта впуска, и введенный объем газа сжимается и выпускается через обратный клапан (6) и/или управляемый выпускной клапан (3) в течение такта выпуска, при этом в компрессоре имеется управляемый впускной клапан (2) с пневматическим, гидравлическим или электромагнитным приводом, который открывается и закрывается по сигналу из системы управления. Впускной клапан (2) удерживают закрытым в течение по меньшей мере части такта впуска. Снижается потребление энергии и воздействие на окружающую среду. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула