CN1186535A - 自由活塞发动机 - Google Patents

Abstract

一种自由活塞发动机(10),其中,燃烧活塞(12)直接驱动泵活塞(13′),并来回泵打液压流体,从而将流体送到一组合循环机械形式的、把直线运动转变为旋转运动的泵/马达转换装置中。

Description

自由活塞发动机

本发明涉及到改变对活塞运动的控制，并特别涉及到在气缸内活塞运动的一个工作循环期间改变气缸内自由活塞冲程的方法和装置。

自由活塞发动机实际上是将燃烧原理和液压原理结合起来用于一台发动机中。燃烧引起膨胀并推动“燃烧活塞”。该活塞与“泵活塞”刚性连接在一起组成所谓“自由”活塞。泵活塞泵打液压流体使其通过液压动力管线送到多个用于不同场合的泵/马达装置内。

本发明是对内燃机气缸内自由活塞运动的应用。借助本发明将内燃机自由活塞的活塞杆扫气室(活塞杆在该室内作直线运动)与多个旋转机械的工作室之间通过液压连接起来可以很方便地形成一内燃机。这类旋转机械的一般形式在美国专利5146880和5279209中已有说明。但实际上并不局限于所举实例中已列出的那些具体实施方式。这类机械以后将称为“组合循环”(“split-cycle”)机械。美国专利说明书5146880和5279209的内容将作为本文的参考。在本发明中，组合系统的输出是通过已知的旋转机械的中央旋转输出轴。

本发明的一个方面是，提供了一种在自由活塞发动机中将活塞的直线运动转变为旋转运动的方法。这种发动机至少包括一个由燃烧活塞和泵活塞组合而形成的自由活塞，其中，泵活塞将液压流体泵打到至少一个泵/马达装置内，该装置将所述的液压流体的运动转变为旋转输出运动。所述的泵/马达装置是前面所定义的一种“组合循环”机械。

本发明的另一个方面是，提供了一种至少包括一个由燃烧活塞和泵活塞组合而形成的自由活塞的自由活塞发动机，其中，泵活塞通过液压回路将液压流体泵打到至少一个泵/马达装置内，从而将所述液压流体的运动转变为旋转运动。该泵/马达装置是如前面所定义的一种“组合循环”机械。

为了更简单明了地解释本发明结构的作用，作出下面的假设是合适的，即假设泵活塞的直径和与它液力耦合的分离循环机械的每一个工作室的缸径相同。再假设活塞的最大冲程是36毫米，并与组合循环机械的六个工作室相液压耦合。当泵活塞与燃烧活塞(即所谓自由活塞)移动36毫米时，反映到组合循环机械六个工作室中的每一个活塞的冲程是6毫米。

为了控制自由泵活塞以及与它相关连的燃烧活塞的冲程，泵活塞室和六个与其液力耦合的组合循环机械工作室中的任何一个之间的液压液体的流量也许要起很大作用。对自由活塞运动的控制可以利用下面的例子所提供的方法：如果自由活塞从上止点到下止点的运动对应于组合循环机械中六个相关液压传动活塞分别从它们的上止点到下止点的运动，并且反过来也是如此的话，则利用在液压回路中设置液压流体控制阀并通过开启或并闭通向与其液力耦合的分离循环机械工作室中的一个、数个或全部液流通路，就能改变自由泵活塞的冲程，并由此改变与它相关连的燃烧活塞的扫气容积。

借助本发明所提供的方法，一种四冲程自由活塞发动机可以与一组合循环旋转机械连接起来。于是，若干个液力传动活塞就可以根据需要在发动机的工作循环期间从液力耦合中去掉，从而使得在前面举例中曾经讨论过的作功冲程和排气冲程为36毫米而吸气冲程和压缩冲程为24毫米。借助这种安排可以得到8∶1的压缩冲程和12∶1的作功冲程。对于本领域的技术人员来说，能以这种方式进行工作循环的四冲程发动机其优点将是显而易见的。它还有可能通过改变液力耦合组合循环机械上凸轮轴的凸轮形状的办法对发动机活塞在上止点处的暂停时间进行最佳控制。这种对暂停时间的控制能力与传统的曲柄连杆式发动机形成鲜明对照。

在本发明中，发动机的动力经液力耦合的自由活塞传给组合循环机械的旋转轴。当发动机的自由泵活基和燃烧活塞被限定为作直线运动以代替曲柄旋转运动时，这种液力耦合就可避免与传统的旋转曲柄发动机有关的许多问题。

在一个具体的优选实施例中，四个内燃机自由活塞的活塞杆与一个24缸组合循环旋转机械独立的四组六个工作室相液力耦合，使得四个活塞的燃烧室整体化依次点火。从而提供一个连续平顺的旋转输出。

本发明进一步的方案是：每一个燃烧室内有两个互相对置的二冲程燃烧方式的自由活塞。互相对置的各个活塞与组合循环旋转机械中的至少一个工作室液力耦合。

按照本发明的安排，通过在公共燃烧室内设置对置的自由活塞，有可能对这些活塞的运动进行无级控制。用这种方法还可以改变燃烧室的压缩比使其适应不同品质的燃油，同时通过对排气口开度的无级调节能够很方便地对一台发动机的性能进行控制。

在该技术方案中，两个对置的活塞装在公共的气缸内并在两者之间形成一个燃烧室，所述的活塞被安装在各自的活塞杆上，而活塞杆则在各自的液压流体室内作直线运动。每一对互相对置的活塞组中的每一个自由活塞要与组合循环机械的液压工作室的至少一个单独的活塞相液力耦合。于是，每一对活塞组中的每一个活塞的冲程就可以由与其相液力耦合的组合循环机械的液压工作室的每一个活塞的冲程来控制(至少是部分地被控制)。

现在将参考下列附图对本发明以举例方式作一说明，这些附图是：

图1是本发明用于单个自由活塞的液力控制方法的结构示意图；

图2是具有与图1所示相同气缸的四缸自由活塞发动机与一台24缸组合循环旋转机械的连接示意图；

图3是本发明另一实例的液力回路的示意图，表明了采用四组对置活塞对时的一种液力控制方法；

图4是图3的一组对置活塞对在第一位置时的剖面图；以及

图5与图4类似，其中，对置活塞对在第二位置，使燃烧室排气。

结构示意图1示出了单缸自由活塞发动机10，包括气缸盖11，内有活塞12。活塞12安装到活塞杆13上，活塞杆13由铰形节头分成两部分。

活塞杆13延伸到液压缸15内，它本身就构成了液压泵活塞13′。液压缸15的出口16由液压管路17与一台组合循环机械的六个工作缸21相连接。上述六个工作缸21按与凸轮轴18相同的转动相位工作。旋转机械与凸轮轴相接触。液压缸15经液力管路17与组合循环机械各工作缸的连接是通过由管路17分出来的若干条并联支管20来实现的。

对每一个工作缸或室21与管路17之间液力耦合的控制由操作各自的可变开度的阀门22来实现，阀门22可以是电磁阀或它们的等效产品。现在将在下述假设条件的基础上对图1所示的单缸机构作一说明：这是一台四冲程内燃机，其被控制的作功冲程和排气冲程为36毫米而吸气和压缩冲程则为24毫米。活塞13′的横截面直径与六个液压活塞19中的每一活塞的直径都相同。

在本例中，活塞12的36毫米冲程对应于六个活塞19中每一个活塞的冲程为6毫米。当发动机10燃烧工作时，活塞12将移动36毫米以完成其作功冲程。这就与六个活塞19的6毫米运动直接对应。当活塞12移动到其作功冲程的终点即下止点时，活塞19也同样到达它们的下止点。这时排气冲程开始，每一个阀门22均保持开启，使工作室21通过管路20和17与活塞13′液力连通。当排气冲程终了而吸气冲程开始时，有两个阀门22并闭，仅剩下4个活塞19与活塞13′液力连通，从而使活塞12只完成24毫米的吸气冲程。在吸气冲程期间，对于那两个不与活塞13′液力连通的活塞19有必要对它们的工作室21进行液体补充以避免在它们各自的工作室内出现抽空效应。在图1中所示的弹簧23是用来帮助活塞19返回到它的下止点位置。

当24毫米吸气冲程终了而压缩冲程开始时，两个活塞19仍保持液力断开的状态，因此活塞12的压缩冲程仍限制在24毫米。对于发动机10的所有工作冲程来说活塞12的上止点位置保持不变，而下止点的位置则随发动机的冲程特性而变化。

在图2中，24缸组合循环旋转机械30排列成与四台如图1所举例说明的发动机10相液力耦合。在该排列中，每一台发动机10与机械30的六个工作室相连。该系统是通过位于机械30轴线上的中央旋转轴来输出动力的。利用这种方法，由一台四缸发动机的输出所提供的液压驱动力就可用来在发动机的工作循环期间对活塞的各种不同冲程进行可变化的控制。

发动机气缸内活塞的速度可以加以限制，以便对这些气缸的输入和输出动力的液力传递进行适宜的控制。可以假定该发动机气缸内活塞的速度近似为活塞运动速度极限的四分之一。

在没有必要让所述实例中发动机的四个气缸都同时工作的情况下，作为一种节省燃油的办法使一个或几个气缸停止工作可能是适宜的。利用本发明所提供的方法和设备将大大提高发动机运行的灵活性，这在以前是不可能做到的。

在进一步的实例中，通过某个执行机构相对于一个瞬时相关联的凸轮轴上的凸轮不断改变组合循环机械的一个液压活塞的高度，就有可能得到一个无级变化的压缩比，因而可以应用计算机针对任何品质的燃油去控制选择任何所需要的压缩比，或者对可变的冲程进行补偿。

在更进一步的实例中，可根据发动机的需要停止某几个特定液压缸的工作，使发动机从怠速时的6毫米冲程开始逐渐增加冲程直到最大功率时的36毫米，以改进发动机的工作效率。要做到这一点可通过继续使得作功冲程保持为36毫米，以便实现一个大的膨胀比，特别是在上述可变压缩比的情况下。

本发明可以通过利用一个自由活塞去驱动组合循环机械的一个液压活塞来实现。

虽然所述的第一实例针对四冲程发动机进行了说明，但是本发明的方法和设备同样也适用于两冲程循环的单缸或多缸自由活塞发动机。

图3是与图2相似的示图，其零部件也与图2有相似的编号。在图3的实例中，每一组活塞中的对置活塞41和42以及缸组合40与各自的液压活塞43和44相连。活塞41控制排气口45的开度而活塞42则是发动机工作冲程中的主要运动作功零件。

活塞杆43和44分别安装在液压驱动缸总成47内的液压活塞46上。每个液压缸总成47的与其活塞杆43，44相对的一侧与工作室以及通过所示液压回路与组合循环机械30的活塞19相液力连接。在“排气”活塞41一侧的液压管路中设置了高速电磁阀22，而另一侧的管路则直接与活塞19相连。

在本实例中，每一个“作功”活塞42与四个工作室19液力耦合。其中有三个在连接管路中并联设置了高速电磁阀22，剩下的一个工作室19则没有这种高速电磁阀。

如图4和图5所示，“排气”活塞41由机械30的两个活塞19控制，其冲程为12毫米。每一个这种活塞19具有6毫米的冲程。其中一个活塞19的输出可以用与其相关联的电磁阀22来改变。

如图所示，每一个液压缸总成47的缸体48是装在一个比例控制器上。该控制器可使每个液压缸总成47的缸体48接近或远离燃烧室50。通过对某一个缸体48以及与其相关连的活塞41之间的位移量变化的控制就有可能对排气口45的开度进行无级改变。

根据发动机的需要，通过对电磁阀22的合适的操纵以断开特定的液力控制活塞19，就不仅有可能对排气口45的开度进行无级变化控制而且也可以很方便地改变每一个“作功”活塞42的冲程。

如图4和图5所示再联系到图3，根据机械30输出的需要通过操纵各自的电磁阀22以断开特定的某几个活塞19就有可能使作功活塞42的冲程从发动机怠速时的6毫米开始逐渐增加到最大功率时的24毫米。通过四个独立的各自冲程为6毫米的活塞19来控制活塞42冲程的办法就使得借助于改变缸体48和活塞42之间的分离程度去无级地改变压缩比成为可行的。采用这种方法就有可能通过增设计算机控制系统(图中未表示出)来设定每一个具有对置活塞41和42的二冲程气缸的压缩比。这种对压缩比的控制将有利于在一台发动机上使用各种不同品质的燃油，或者对活塞的工作循环再作进一步的改进。

在另一实例中(图中未表示出)，每一组活塞41和42通过有关的液压管路分别与机械30的各个独立的活塞19相连接，而不是前述那样每一个排气活塞41与两个活塞19相连接。而每一个压缩活塞42则与4个活塞19相液力耦合。

比例控制器51或者是如图3所示分别与各自的液压缸总成47的缸体48装在一起，或者是装在回路中的某个其他位置以便用来在一个或多个活塞19上改变随动件的高度。从而有可能按照所用品质燃油对排气口45的开度和(或)压缩比以及利用计算机控制系统(用熟知的技术方式)对火花塞52的点火定时进行设定等进行复合的控制。

对于本领域技术人员来说，在不违反已作一般性说明的本发明的基本精神或范围的情况下，可以对各特定实施例所阐明的本发明作出许多改变和(或)改进。因此，本文所举的实例只是旨在对发明的各个方面作一说明而不是限制。

Claims (11)

1.一种在自由活塞发动机中将活塞的直线运动转变成旋转输出运动的方法，所述自由活塞发动机包括至少一个由燃烧活塞和泵活塞组成的自由活塞，其中，由泵活塞将液压流体泵打到至少一个为组合循环机械的液压泵/马达中，该泵/马达则将所述液压流体的运动转变成旋转输出运动。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，自由活塞发动机是由至少一对放置在公共气缸内的相互对置的自由活塞构成，而燃油的燃烧就发生在所述两个活塞之间的气缸内。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其中，每一个自由活塞的冲程可以通过控制每一个活塞与组合循环机械之间液压流体流量的大小来加以改变。

4.按照前面任一权利要求所述的方法，其中，每一个自由燃烧活塞的运动根据自由活塞发动机所要求的功率输出及发动机中燃烧的燃油的品质未改变。

5.一种自由活塞发动机，至少包括一个由燃烧活塞和泵活塞组成的自由活塞，其中，泵活塞经液压管路将液压流体泵打到至少一个为组合循环机械的液压泵/马达中，从而将所述的液压流体的运动转变成旋转运动。

6.按照权利要求5所述的自由活塞发动机，其中，发动机是由至少一对放置在公共气缸内的相互对置的自由活塞构成，在两活塞之间的气缸空间内包括燃烧室。

7.按照权利要求5或6所述的自由活塞发动机，还包括一改变自由活塞与组合循环机械的液压流体工作室间液压回路中的液压流体流量的装置。

8.按照权利要求5，6或7所述的自由活塞发动机，其中，至少有一个泵活塞的液压缸是可以与其相对应的燃烧活塞的缸筒作相对运动以改变该燃烧活塞所在燃烧室的压缩比。

9.按照权利要求7所述的自由活塞发动机，其中，改变压缩比的装置的液压回路中至少包括一个由计算机控制的电磁阀。

10.按照权利要求8所述的自由活塞发动机，其中，在用来使液压缸和与它对应的燃烧室的缸筒作相对运动的装置中还包含一个比例控制器。

11.按照权利要求10所述的自由活塞发动机，其中，在用来改变压缩比的装置的液压回路中至少包含一个由计算机控制的电磁阀。

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