CN1183133A - 一种动力装置 - Google Patents

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Abstract

一种动力装置,其具有一个柴油机自由活塞装置,该自由活塞装置被供给从压缩装置(96)而来的空气,该自由活塞装置的废气驱动涡轮(150)。该装置具有一个气缸(12),气缸内有两个可反相运动的活塞(24,26),活塞之间限定出一个燃烧室(54)。气缸端部(36,38)包括缓冲端室(56,58)。一个电子装置(160)控制着端室(56,58;256,258)中的空气压力。各活塞的中间活塞部分(48,50)与相应的气缸部分(40,42)形成一个活塞泵室(68,70),该泵室给装置的进气歧管(80)和一个混合室(148)提供压缩空气,废气和压缩空气通入涡轮(150)之前先在混合室中混合。电子装置(160)也用来通过压缩装置、阀压力传感器等装置控制压缩室(68,70)内空气的压力。

Description

一种动力装置
本发明涉及一种动力装置，该装置带有一个柴油机(diesel)自由活塞装置，一个压缩装置，一个涡轮机和一个电子装置，其中自由活塞装置包括一个气缸和两个可反向移动的活塞，两个活塞的端部彼此相邻限定出一个燃烧室，而两活塞的相远离的端部与气缸一起限定出两个端室，压缩装置通过一个进气歧管给自由活塞装置供应空气，自由活塞装置将废气供给涡轮机，电子装置被设置用来控制端室中气体的压力以便控制活塞的运动。
在本申请人的挪威申请文件No.950916中公开了一种上述类型的装置，其中的压缩装置由涡轮压缩机构成，吹洗过程中供给自由活塞装置的燃烧室的气体的压力大体上等于压缩装置的供给压力。操纵压缩机的能量可以，例如由一个电动马达提供，该电动马达的电力由一个发电机提供，该发电机又由一个涡轮机驱动。
本发明的目的就是提供一种上述类型的动力装置，该装置具有高的热效率，但是供给涡轮机的气体的温度相对较低。
本发明的特点将由权利要求书中的特征说明。
现将参照附图进一步详细描述本发明，这些附图示意性地示出了本发明装置的一些实施例。
图1示出了本发明动力装置的第一实施例的管路布置，以及通过动力装置的自由活塞装置的一个纵剖面；
图2为一个类似于图1的视图，其示出了本发明装置简化了的第二实施例，其中该装置的一些组件被移去未示；
图3示出了一个带有一类似于图2中所示的自由活塞装置的动力装置，该装置的一些组件被移去未示。
在下文的说明叙述中，术语右、左，上和下应当被理解为用来表示与读者所看到的这些图形的相应位置，术语上和下意思为靠近和远离附图的最靠近读者的边缘的位置。
图1包括一个贯穿自由活塞装置或气体发生器10的纵剖面，该自由活塞装置或气体发生器10包括一个气缸2，该气缸具有一个位于气缸中心部分的第一气缸部分14，和位于气缸12两端的第二气缸部分16、18。
在气缸12中可滑动地设置有一个左活塞24和一个右活塞26，它们分别具有第一端部28和30，两端部28和30的直径与第一缸体部分14相配合。而且每个活塞24、26具有一个活塞侧部32和34。
每一个第二气缸侧部分16、18包括一个第二气缸部分36和38，该第二气缸部分36和38位于缸体的两端，还包括一个第三气缸部分40、42，该第三气缸部分40、42位于第一气缸部分14和第二气缸部分36和38之间，其直径比气缸部分14、36、38的直径大。在各第三气缸部分40、42与第一气缸部分14及其第二气缸部分36、38之间，分别延伸有一个外部径向缸壁60、62和一个内部的径向缸壁64、66。
类似地，每个活塞的侧部分32、34包括一个第二活塞端部44和46，该第二活塞端部位于活塞的相互远离的两端，还包括一个第三活塞端部48和50，该第三活塞部位于活塞24和26的第一活塞端部28、44和第二活塞端部30、46之间。
第一气缸部分14与活塞24、26的第一端部28、30一起限定出一个工作气缸或一个燃烧室54。
各第二气缸部分36、38与相应的第二活塞端部44、46限定出一个端室或缓冲室56、58。
第三气缸部分40、42和第三活塞部分48、50以及内部的径向缸壁62、66共同限定出一个第一左活塞泵和一个第一右活塞泵或第一左、右压缩室68和70。
外部径向缸壁60、64与第三气缸部分40、42和第三活塞部分48、50一起分别限定出一个第二左压缩室72和第二右压缩室74。
靠近第一气缸部分14的左侧端，具有一个进气歧管80，其设置用来与燃烧室54相通，在该气缸部分14的右侧一端具有一个排气歧管82，其同样设置用来与燃烧室54相通。
轴向延伸的杆84、86分别与第二活塞部分44、46的轴向外端永久相连。该杆密封地通过密封装置88和90，该密封装置88和90与第二气缸部分36、38的端壁92，94相接。
一个压缩装置96，其可以是一个涡轮压缩机，被设置用来通过一个管道98给第一压缩室68、70提供压缩空气。
管道100将第一压缩室68、70与一个中间冷却装置102的入口相连，而该冷却装置的出口靠一个管道104与相应的第二压缩室72、74相连。冷却剂可以通过管道106、108输送给和离开中间冷却装置102。
一个冷却装置或一个中间冷却装置99可以被设置在管道98中。一个管道110将第二压缩室72、74与进气歧管80相连。一个压缩空气瓶112靠一个第一阀114接到管道110上，所说的第一阈114是一个单向阀。
两个管道116、118从压缩空气瓶112延伸出至第二阀120和第三阀122，接着这两个阀又分别经管道124和126与端室56和58相接。
从管道124、126上又分别分支出管道128和130，在它们上又相应地设置了第四阀132，和第五阀134。
从管道118，延伸出一个分支管道136通向一个第六阀138，该第六阀138又靠一个管道140与燃烧室54的中心部分相连。从管道140上又分出一个第七阀142。
一个用于将燃料注入燃烧室54的管道144可以由一个第八阀145封闭和打开。
第四、第五和第七阀132、134和142可以影响到其所接管道与周围环境之间的关系。
从排气歧管82延伸出一个管道146通到一个混合容器148，该混合容器的出口与一个涡轮机150的入口相接，该涡轮机被设置用来驱动，例如，一艘船的一个推进螺旋浆，一个发电机或类似的装置(未示出)。
管道110，其从第二压缩室72，74延伸出来，具有一个延伸部分152，该延伸部分延伸入一个混合室148。在该管道中，可以设置一个第八控制阀170。
杆84、86内，轴向延伸有通孔(未示)，该通孔又与活塞24、26内的通道(未示)相连。通过该通孔和通道，可将冷却介质从冷却介质容器154，156引入活塞，以在自由活塞装置工作时冷却它。
一个电子装置160，其作为一个程序计算机或控制单元用于在设置了某个门通(gate opening)时控制动力单元，该电子装置160靠电线162与一些传感器(未示)相连接，以便确定某些或所有的室54、56、68、70、72、74，压缩空气瓶112和混合窗口148中的压力，和这些室以及中间冷却装置、混合容器中的温度，还与其它一些用于监视装置工作的传感器，诸如用于确定活塞位置的传感器相连接。后者可以与杆84、86相连接。
另外，程序计算机160与各第七阀相连，该阀可以是电磁阀型的或者可以通过极快的电动马达来驱动，因而不仅可使该阀能在关闭和完全打开位置之间移动，而且可使其能处于这两个位置之间的某些位置。
该动力装置的工作如下述。
通过给程序计算机一个起动命令而自动起动的该自由活塞的起动可以采用两种方法来完成。假定压力容器112中已经充满了压缩空气。
在第一起动方法中，两个活塞首先被移动到一个位置，在该位置两个活塞彼此紧挨在一起，第二、第三和第七阀120、122和142处于打开状态而第四、第五和第六阀132、134和138保持关闭状态。由此，当压缩空气瓶112中的压缩空气迫压活塞24，26相向运动时，位于燃烧室54中的空气被迫通过第七阀进入大气。端室56、58中的压力就会降低，并低于压缩空气瓶112中的空气压力。接着第二第三和第七阀120、122、142被关闭，而第六阀138(起动阀)被打开，因而在端室中空气压缩下迫使活塞彼此远离。当活塞24、26露出排气歧管82后，燃烧室54中的压力急剧下降，与此同时起动阀138被关闭。活塞因此在端室56、58中的压缩空气的作用下迅速相向运动，从而燃烧室中的空气被压缩。当第八阀145(燃料阀)被打开后，燃料被喷射进燃烧室中，端室中空气重新被压缩因而迫使活塞彼此远离。而后，活塞再一次相向运动，自由活塞装置于是继续其工作过程。
在第二起动方法中，当活塞已彼此远离之后，第四、第五、第六和第七阀132、134、138和142可以被关闭，同时将第二和第三阀120和122打开从而将端室中空气的压力减小到周围环境空气的压力。活塞24、26因此被迫相向运动，从而压缩燃烧室中的空气，因此燃料被喷射进燃烧室并被点燃。接着，第二、第三阀120、122被关闭，端室中的压力通过打开第四和第五阀132，134而被减小到一个合适的值，在此减小过程之后，该第四和第五阀即被关闭。当废气从燃烧室释放出，新空气进入其中后，端室中的压缩空气的推力促使活塞重新相向运动，由此马达的工作就自动地连续进行下去。
在装置先前的工作过程中，空气压缩瓶112已经被以一个合适的压力充满了空气，另外，该空气压缩瓶112也可以以一公知方式由一个标准起动压缩机充满空气。当装置是新的或已经被检修过时，这是一个通常的第一次起动的方法。
当自由活塞装置10已经被起动后，通过管道98，空气从压缩机流入第一压缩室68，70，并且在活塞每次相向移动时被压缩，在每个冲程中，该空气被迫流向中间冷却装置的空气入口，而该空气的回流被一个单向阀99阻止。
当空气在中间冷却装置102中被冷却之后，又被迫向第二压缩室72、74流动，其中一部分空气通向进气歧管80。剩下的空气通向混合容器148。
在混合容器148中，来自第二压缩室72、74的空气与从自由活塞装置来的极热的废气相混合，从而使进入涡轮机的空气的温度降低到一个该涡轮机能够承受的温度。空气-废气混合物的压力和温度被升高，以使其具有一较高的能量。这种升高是通过在自由活塞装置内一个几乎是直接的温度-压力转换获得的，因而使得这种转换非常高效。
在动力装置的工作过程中，程序计算机160单独控制着阀的动作。通过第二、第三、第四和第五阀120、122、132、134可以调节端室56、58中的压力。当端室中的压力处于其最低点时，空气最好能进入和流出端室中。由于是单独控制，因此获得了活塞的单独控制，例如，为了获得打开和关闭入口和出口的理想次数而进行的活塞的单独控制。从压力、温度和活塞位置传感器传来的脉冲与来自用于闸门开口(gate opening)或进气口(admission)的操纵装置的脉冲一起提供给程序计算机160，该计算机160的运算程序在这些脉冲的基础上控制着动力装置的工作。
在上述动力装置中，燃烧室的压缩比可以被调节，因而为了达到点燃目的可以连续地确保高的压力。而且，活塞打开和关闭排出口和吸入口的次数也可以调节，例如，可通过端室中压力值相对变化来调节。这可以通过对现在市场上有售的迅速反应阀的电子控制来实现。由于活塞具有提供清除空气压缩的部分，因此能够确保始终提供足够量的清除空气。
杆84、86的上述布置的一个优点是密封装置88、90可以比较容易地从缸体12的外部接近，而在公知的装置中这些密封装置被缸体12所包围。而且，如果需要的话，可以通过杆从缸体的外部对活塞进行机械移动。
在该装置中，高压气缸，即第一气缸部分14可以从缸体的外部自由接近。这就为燃料喷嘴、起动阀、传感器等提供了容易接近的入口，因而有利于动力装置的维修。
图2示出了图1所示动力装置的第二个简化的实施例，其省略了第二压缩室。本实施例的零件与图1所示实施例中的相应的零件其有相同的标号，只是另加了标号200。
图2包含一个纵贯自由活塞装置或气体发生器210的纵剖面，所说的自由活塞装置或气体发生器210包含一个气缸212，其第一气缸部分214位于气缸212的中间部位，气缸两边部分216、218分别位于缸体212的两头。
在缸体212中，可滑动地设有一个左侧活塞224和一个右侧活塞226，它们分别具有一个第一端部228和230，该第一端部的直径适合于第一缸体部分214。而且各活塞224，226具有一个活塞侧边部分232和234。
每个第二气缸边侧部分216、218包含一个第二气缸部分236和238，它们位于气缸体的两端，还包含一个第三气缸部分240、242，它们位于第一气缸部分214和第二气缸部分236和238之间，其直径比第一缸体部分214的大。而在每个第三缸体部分240、242与第一缸体部分214之间，相应延伸有一个径向缸壁262和266。
同样，各活塞侧边部分232、234分别包含一个第二活塞端部244和246，它们分别位于活塞的彼此相远离的两端，还包括一个第三活塞部分248和250，它们分别位于活塞224和226的第一活塞端部228、244和第二活塞端部230，246之间。
第一气缸部分214和活塞224、226的第一端部228，230一起限定了一个燃烧室254。
每一个第二缸体部分236、238与相应的第二活塞端部244、246一起，限定出一个端室或缓冲室256、258。
径向缸壁262、266与第三气缸部分240、242和第三活塞部分248、250一起分别限定出一个第一左侧压缩室268，和一个第一右侧压缩室270。
因而在本实施例中，没有设置第二压缩室。因此不包含中间冷却装置。除此之外，该装置大体上相应于图1中所示的装置，零件诸如涡轮机和混合室在图中没有示出。应当理解在本发明的连接方式中，混合室被供给从自由活塞而来的废气和从压缩室而来的压缩空气。
图3所示为本发明动力装置的第三实施例，其类似于图2所示的动力装置，只是从压缩室368、370而来的空气通过一个单向阀399、400供给到一个缓冲室或环状体402中，该缓冲室和环状体围绕第一气缸部分设置，并被一个壳体或罩404所包围。环状体内的一部分空气通过入口通入到工作气缸或燃烧室中，而进气歧管中剩下的空气通到一个混合室348。这些空气对第一气缸部分及其排气口和排气歧管进行冷却。
第一缸体部分和相关零件的冷却也可以通过用压缩机提供的压缩空气吹洗燃烧室而实现。然而，将空气分割开具有优点，尤其是在装置以部分负荷运转、非稳定运转等状况下，更具优势。
在该装置中，环状体同时形成一个进气歧管。
应当被理解管道98中可以设置一个冷却装置用于冷却从压缩机96而来的压缩空气。

Claims (1)

1.一种动力装置，其具有一个柴油机自由活塞装置，一个压缩装置(96；296)，一个涡轮机(150)和一个电子装置(160；360)，其中，自由活塞装置具有一个气缸(12；212)和两个可反相运动的活塞(24，26；224，226)，自由活塞的两个彼此相邻接的端部，与气缸限定出一个燃烧室(54；254)，自由活塞装置相互远离的两个端部与气缸(12，212)一起限定出端室(56，58；256，258)，压缩装置(96；296)通过一个进气歧管(80；404)给自由活塞装置提供空气，自由活塞装置给涡轮(150)提供废气，电子装置被设置用来控制端室中的空气的压力，以便控制活塞的运动，
其特征在于：所述涡轮(150)靠一个混合室(148；348)与所述自由活塞装置相通，并设置有管道(152，110)用于将进气歧管(80；404)通过阀(170，114，120，122)与混合室(148；348)和端室(56，58；256，258)相连，还设有管道(128，130)用于通过阀(132，134)将端室(56，58；256，258)与外界空气相通，电子装置(160；360)被设置用来控制阀通往混合室(148；348)的空气以及通往或流出端室(56，58；256，258)的空气。
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