NO872410L - Anordning for syklisk hastighetsstyring i maskiner med variabel slaglengde. - Google Patents

Description

I anordninger som arbeider med sin egen frekvens, slik som fri-stempelmaskiner, er deres frekvens eller syklisk hastighet en funksjon av anordningens energitilførselsdel og energiavgivelsesdel, slik som kraftstempelenergi tilførsels-delen og kompressorstempelenergiavgivelsesdelen i en fri-stempelmotorkompressor. Med andre ord vil hastigheten for en slik motorkompressor variere i et gitt fast, naturlig forhold med variasjoner med kompressorvolumetrisk strømning og kompressorinntakstrykk og/eller avgivelsestrykk. Således, i en varmepumpe er eksempelvis en større volumetrisk strøm-ningstakt typisk nødvendig ved de lavere inntaks- og avgivelsestrykk som er involvert ved drift ved lave omgivelses-temperaturer. Imidlertid er selv ved maksimal stempelslag-lengde ikke bare den volumetriske ytelse pr. slag redusert ved det lavere inntakstrykk, men takten av volumetrisk strømning er dessuten vesentlig redusert ved den lavere egenfrekvens som motorkompressoren vil anta under innflytelsen av både det lavere inntaks- og avgivelsestrykk.

Dette faste naturlige forhold er ikke hittil blitt styrt effektivt over et område bredt nok til å hindre eller å overvinne, på en praktisk måte, det problem som nettopp er beskrevet, og særlig til å tilveiebringe en forbedret lineær f r i-stempelmotor som er i stand til drive en hvilken som helst av et antall forskjellige typer av energlabsorberende anordninger.

I en bestrebelse på et visst omfang å tilveiebringe hastighetsstyring for maskiner, slik som fri-stempelmotorkom-pressorer, involverte et tidligere forslag en anordning hvor de frem- og tllbakegående fri-stempelmasser hadde hule deler som kunne fylles i varierende grad med en væske, slik som olje, således, ved variasjon av de frem- og tllbakegående masser, skulle hastigheten styres innenfor et temmelig begrenset område, ettersom den sykliske hastigheten varierer med massen i henhold til ligningen: som for en gitt karakteristisk motor kan reduseres til:

når F er drivkraften, s er slaglengden og s^ ogS2den indre og ytre grense for slaget av m (den frem- og tllbakegående eller drevne massen), V er massens hastighet og n den sykliske hastighet. Slik som ligning II viser, måtte massen bli redusert eksempelvis til en fjerdedel for å oppnå den dobbelt sykliske hastighet, hvilket i praksis vil være et ytterst vanskelig og høyt sannsynelig ugjennomførlig resultat å oppnå.

I forbindelse med bruken av fri-stempelmotorgassgeneratorer (forgassere) for levering av exhaust gass til å drive en turbin, er tidligere anstrengelser blitt gjort, slik som i Lewis, US-patent 2.435.970, til å styre frekvensen av en fri-stempelmotor ved hjelp av et ytterligere prellkammer (bounce chamber) i forbindelse med et prellkammer på baksiden av et belastningskompressorstempel til å søke lavere og høyere frekvensgrenser enn hva som ville være mulig uten et slikt ytterligere prellkammer. Selv om Lewis foreslo at hans ønskede operasjon kunne gjennomføres med hjelp av regulaterer som reagerer på forskjellige driftsbetingelser til å justere eller å reagere på trykk i et antall av motorsteder, innbe-fattende direkte (positive) og omvendte (negative) prellkammere og andre deler av hans forgasser, omhandler Lewis patentet ikke en motor og styrekombinasjon som er i stand til å tilfredsstille problemene som erkjennes pg løses av foreliggende oppfinner på den måte som er beskrevet i denne søknad.

Denne oppfinnelse involverer erkjennelsen av et behov for en fri-stempelmotor som kunne variere hastigheten over et meget bredt område og for selektiv bruk med en hvilken som helst av et antall av forskjellige typer av energlabsorberende anordninger og med heller enkle styreelementer. Det ønskede brede styreområdet for en slik motor kan oppnås ved bruk av spesielt plasserte og konstruerte prellkammere, og dessuten ved hjelp av lavere trykk i slike spesielt plasserte prellkammere som er i stand til å operere uten et trykksatt reservoar med høytrykks prellstyrefluidum. I tilfeller hvor den energlabsorberende anordningen involverer en kompressor eller varemepumpe, er en slik kombinasjon i stand til å drive styreseks j onen med et separat fluidum fra det i arbeids-kompressoren eller varmepumpeseksjonen , og med mindre kompliserte styreelementer enn hva ellers ville være nød-vendig. For visse anvendelser erkjennes også et behov er en vibrasjonsfri kompressor méd en motorhastighetstyreenhet og en f orurensnings-f r i kompressor for komprimering av freon eller lignende.

Den foreliggende oppfinnelse omfatter følgelig en hastighets-styreanordning som tillater å endre hastigheten for en fri-stempelmotorkompressor eller lignende energlabsorberende anordning (EAA) innenfor vide grenser, eller å opprettholde hastigheten av en fri-stempelmotordrevet elektrisk generator eller vekselstrømsgenerator innenfor meget snevre grenser, uavhengig av tilstandene for energitilførselsseksjonen eller den energlabsorberende seksjonen som kan, i tilfellet av generatoren, kreve et meget bredt styreområde for å opprettholde en i alt vesentlig konstant hastighet, og i tilfellet med kompressor eller varmepumpe EAA'er, krever vesentlig hastighetsendringer som er nødvendige, eksempelvis ettersom kompressorfordring endrer seg fra lavt volum-høyt trykk til høyt volum-lavt trykk operasjon, og som i begge .tilfeller er det nøyaktige motsatte av hva motoren ville gjøre eller måten som den vil reagere på, hvis den ikke innbefattes styrings-midlet og den konstruktive løsning og relative plassering av prellkammere ifølge denne oppfinnelse.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer således en fri-stempelmotor med variabel slaglengde som selektivt kan forbindes med en hvilken som helst av flere forskjellige energlabsorberende anordninger, og hvor motorhastigheten (frekvensen av frem- og tllbakegående bevegelse) kan styres og justeres som reaksjon på et ytterst bredt område av endringer av behov hos en spesiell energlabsorberende anordning (EAA) som er koplet til og drives av stempel-motoren. Det har vist seg at det ønskede området av styre-krefter kan- effektivt tilveiebringes ved justering av arbeidstrykkene i to prellkammere som er spesielt plassert ved en mellomliggende posisjon langs aksen for en frem- og tllbakegående stempelstangenhet i en fri-stempelmotor som har et kraftstempel ved en ende og et forbindelsesmiddel ved den andre enden for drivende forbindelse med et bevegelig organ på den valgte energlabsorberende anordningen. En prellstempelenhet som har motsatt-rettede og motsatt-virkende prellstempelflater komprimerer luften eller gassen i et prellkammer under et kraftstempelekspansjonsslag av stempelstangenheten fra kraftstempelenden mot EAA forbindelsesenden og komprimerer så luften eller gassen i det andre prellkammeret under retur (dvs. kompresjons) slaget av kraftstemplet.

Således tilveiebringer oppfinnelsen et negativt første prellkammer ved et relativt sted mellom en prellstempel-arbeidsflate og kraftstempelenden av stempelstangenheten, og et positivt andre prellkammer ved et relativt sted mellom den andre prellstempelarbeidsflaten og EAA-enden av stempelstangenheten. I de foretrukne utførelsesformer er det første og andre prellkammer mest virkningsfullt og effektivt tilveiebragt ved hjelp av en enkelt prellsylinder i hvilken motsatte flater av kun et dobbelt-virkende prellstempel anvendes til å separere de to prellkammerne, hvorved elimi-neres halvparten av friksjonstapene som ville bli utviklet mellom de vanlige stempelringene og de indre prellsylinder-veggoverflåtene, hvis prellstempelenheten hadde to stempel-elementer, og også forminsker nettotrykkdifferensialene mellom de to kammerne som adskilles av et slikt enkelt prellstempel.

Oppfinnelsen tilveiebringer dessuten styremiddel for slike maskiner som innbefatter minst et par at prellkammer trykk-styreåpninger (en åpning i hvert prellkammer), og minst et par av variabelt (f. eks. inkrementelt eller intermittent) justerbare prelltrykkstyreventiler (en for hvert av prellkammer styreåpningene i nevnte par). Hver styreventll i nevnte ene par, når åpnet delvis, fullstendig, inkrementelt eller intermittent, muliggjør direkte forbindelse av prellkammeret, gjennom dets prellkammertrykkstyreåpning, til omgivende atmosfærisk luft utenfor prellsylinderen. Hver av styreventilene er ytterligere koplet til sin respektive prellkammerstyreåpning for variabelt og i alt vesentlig samtidig å justere hver av de variable trykkstyreventilene i nevnte par og dermed på tilsvarende måte endre (dvs. den samme retningen, begge oppad eller begge nedad) de respektive prellkammerarbeidstrykkene som reaksjon på endringer i behovene på den spesielle EAA som er involvert.

I de foretrukne utførelsesformer er styreventilene i nevnte ene par plassert og innrettet til å justere de maksimale utløpstrykk for hvert prellkammer. Det er også mulig å anordne slike ventiler til å justere mlnimumsinnløpstrykkene for hver prellkammer, eller endog å tilveiebringe to slike styrevent i lpar , et par for innløpstrykk og et par for utløpstrykk.

Oppfinnelsen muliggjør også den ytterligere kombinasjon av middel for relativt å justere minst et par av de respektive variable trykkstyreventilene i motsatte retninger, hvorved muliggjøres å forflytte de suksessive toppdødsenterposi-sjonene for kraftstemplet i dets kraftsylinder som reaksjon på et signal fra et motorvirkningsgradavfølende middel som indikerer relativ effektivitet eller ineffektivitet av forbrenning og funksjon av motoren. Et slikt signal kan gjøres tilgjengelig eksempelvis fra en bankningsavføler av den type som reagerer på og indikerer begynnende banking i kraf tsyl inderen, dvs. ved toppdødsenterposisjonen av kraftstemplet like før der hvor faktisk bankning kan forekomme.

Et slikt bankningsavfølende middel er vist eksempelvis i oppfinnerens tidligere US-patent nr. 3.853.100.

Det har vist seg at bruken av to slike prellkammere, med et dobbeltvirkende prellstempel i en enkelt prellsylinder som er vesentlig større i tverrsnittsareal enn det for kraftstemplet i dets kraf tsyl inder, gir adekvate krefter på den frem- og tllbakegående stempelstangenheten til å styre meget effektivt og i realiteten den motorhastighet som behøves for å tilfredsstille det brede området at endringer i behovene på visse EAA'er, slik som elektriske lineære generatorer, varmepunkter, hydrostatiske pumper, prosessorgasskompres-sorer, og gass eller oljefeltkompressorer. Som en praktisk sak, blir effektiviteten av slike styringinger fortrinnsvis fremmet ved å ha hver flate av det dobbeltvirkende prellstemplet vesentlig større i tverrsnittsareal enn det for kraftstemplet med en faktor i området fra minst 1,5 til minst 4 ganger kraf t stempl et s areal, og i visse anvendelser så meget som 10 ganger det effektive kraftstempelarealet. Med slike store arealforhold, er det blitt funnet at de fleste belastningsbehov på nevnte EAA kan styres ved å anvende omgivende atmosfærisk luft som et lett tilgjengelig styrefluidum, hvorved man eliminerer eventuelt behov for en spesiell kilde av luft eller gass under meget høyt trykk som et styrefluidum for prellkammerne. Det også eliminerer i vesentlig grad behovet for høye starttrykk.

I en f r i-stempelmotor varierer den sykliske hastigheten av den frem- og tllbakegående enheten tilnærmesesvis med kvadratroten av det samlede middel eller gjennomsnittskraft som driver den frem- og tllbakegående enheten. I den foreliggende oppfinnelse som nettopp beskrevet, kan den sykliske hastigheten vesentlig endres ved å heve eller senke trykkene i hver av prellkammerne, ettersom komponentkreftene som driver prellstemplet er et produkt av deres respektive stempelområder og de korresponderende trykk som virker på disse. Ved å anta allminnelig anvendte virksomme middeltrykk i motoren eller kraftsylinderen, kan det vises for å doble den sykliske motorhastigheten, må prelltrykkene PB økes med omtrentlig tre ganger produktet av det virksomme motor-middeltrykk -MEP ganger forholdet mellom kraftstempelarealet AE og prell-stempelarealet AB, dvs. PB er nær lik 3 MEP

(AE/AB).

Dette viser klart den store fordelen ved den foreliggende oppfinnel-se ved tilveiebringelse av friheten til å velge tverrsnittsarealene for de to prellkammerne (og deres tilsvarende stempel) uavhengig av områdene for kraftstemplet, og at kompressorstemplet (hvis sådant finnes). Således vil dobling av motorhastigheten for en fri-stempelmotor ifølge ovenstående eksempel være mulig med effektive prellmiddeltrykk av kun 75$ av det effektive middeltrykket for kraftseksjonen, hvis prellstempelarealet vil være fire ganger det for kraftstemplet, hvilket i en typisk motorkompressor-anvendelse vil være fullt ut praktiserbart. Dette står i skarp kontrast til tidligere viste konstruksjoner hvor de effektive prellmiddeltrykk vil måtte være mer enn tre ganger det effektive middeltrykk for kraftseksjonen eller mer enn fire ganger så høyt som trykkene som behøves ifølge den foreliggende oppfinnelse.

For således å styre den middels prellkammerkraft i et forhold av ti til en, er det ganske enkelt nødvendig å operere prellkammer inntakstrykket mellom atmosfærisk trykk av 1 ATA og 0,1 ata. Dette kan oppnås ved å begrense tverrsnittet oppstrøms relativt inntaksventi lene tilsvarende. Disse underatmosfæriske prellinnløpsstyretrykk er praktiserbare for store hastighetsendringer som et resultat av det store prellstempelarealet og den dobbeltvirkende prellstempelenheten som er mulig ifølge denne oppfinnelse. Dette bekrefter den vesentlige fordeler med den foreliggende oppfinnelse ved tilveiebringelse av et stort areal for hver hast ighetsstyrestempelf late, slik at et meget bredt styreområde for motorhastigheten kan oppnås med bruk av omgivende luft ved atmosfærisk trykk som styrefluidumet.

En ytterligére fordel med å ha prellkammeret i hastighetsstyreseksjonen uavhengig av den valgte energlabsorberende anordning, slik som kompressor stemplet for en kompressor eller varmepumpe, er at de maksimale trykk i prellkammerne for hastighetsstyreseksjonen ifølge foreliggende oppfinnelse kan holdes på et minimum. Dessuten, når den energlabsorberende anordning som skal fjernbart festes til den ytre enden av motorkraftenheten innbefatter et kompressorstempel i en kompressor syl inder , kan denne kompr essorsylinder også konstrueres til å gi ytterligere (tredje) prellkammer mellom den ytre enden av motoren og kompressorstemplet. Et slikt tredje prellkammer kan anvendes på baksiden av kompressorstemplet på slik måte at det hjelper til med å holde prelltrykkene i de to hastighetsstyreprellkammerne for motoren i alt vesentlig like og således på deres lavest mulige maksimale sylindertrykk.

I visse anvendelser, slik som i varmepumper og luftkondisjon-er ingsanlegg , er det også ønskelig å ha en begynnelses-belastning for å unngå mekanisk kontakt mellom stempelenheten og sylinderhodet under oppstarting og andre overgangsbeting-elser. I dette tilfellet kan et eller begge kammere i fre-kvensstyreprelleren bevirkes til midlertidig å virke som kompressorer inntil kjølemiddelkompressoren er i stand til å oppta kraf t innmatningen fra driv eller kraftseksjonen. Lignende situasjoner eksisterer eksempelvis i fri-stempelmotors elektriske generatorer som ville kunne styres på ligende måte ved hjelp av hastighetsstyreprelleren.

Oppfinnelsen ligger kun således kun ikke bare i bruken eller styringen av prellstempelstyretrykk alene eller bruken av to prellkammere som en styring. Den involverer også det bestemte relative sted av prellstempelflater og prellkammere til å gi adekvate styrestempelarealer uten blokkering eller begrensning av arealet for EAA-forbindelsesenden for motoren. Dette muliggjør videre tilveiebringelsen og bruken av et optimalt antall av stempelflater og en optimal tilegnelse av kraft og styrefunksjoner til slike stempelflater, innbefatt-ende tildelingen av hastighetsstyrefunksjoner til de spesielt plasserte motsatt-virkende prellkammerne og prellstempel-flåtene og muligheten for å bruke omgivende atmosfærisk luft som et styrefluidum til å tilveiebringe et bredt styrings-område på en måte som er forenlig med den selektive befest-igelse av-forskjellige energlabsorberende anordninger.

Fig. 1 på den vedlagte tegning er et skjematisk riss som

viser en utførelsesform av oppfinnelsen.

Fig. 2 er et arbeidsdiagram hvor arbeidet er plottet vertikalt med referanse til ekspansjons- og kompre-sjonsslagene plottet horisontalt for kraftstemplet i en motorenhet.

Fig. 3 er et arbeidsdiagram for en prellerenhet.

Fig. 4 er et arbeidsdiagram for en kompressorenhet.

Fig. 5 er arbeidsdiagrammet for en skylleenhet.

Fig. 6 er et arbeidsdiagram for en prellerenhet som har forskjellige innløps- og utløpsvent11trykkinn- stillinger fra det i fig. 3, hvorved prelleren tillates på disse innstillinger å virke som en kompressor.

Fig. 7 er et arbeidsdiagram for en negativ preller i

kompressorsylinderen.

Fig. 8 er et skjematisk riss som viser en modifikasjon av

oppfinnelsen.

Fig. 9 er et fragmentært snittriss av modifikasjonen i fig.

8, tatt langs linje 9-9 i fig. 8.

Fig. 10 er et skjematisk riss som viser tilsvarende fig. 1 en

annen foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen.

Fig. 11 er ét skjematisk riss som viser, tilsvarende fig. 10,

en annen modifikasjon ifølge oppfinnelsen.

Fig. 11A - er et delvis skjematisk riss av en foretrukket

modifikasjon av anordningen i fig. 11.

I den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen, som er vist i fig. 1 betegner henvisningstallet 10 en fri-stempelmotors kraftsylinder som har et brennstoffinnløp 11, et luftinnløp 12, et exhaust utløp 13 i en kraftseksjon 10p av sylinderen, og konvensjonelt luftinnløp og utløpstilbakeslagsventiler i en sky 11 eluf tseksj on 10s derav. Et kraftstempel 15 er forbundet med et prellstempel 16 ved hjelp av en stempelstang 17 som strekker seg gjennom et lager 14 i en vegg mellom nevnte stempler. Skylleluft kan passende leveres fra 10s til 10p gjennom en ledning 12a ved å anvende den indre flaten (dvs. den høyre flaten som betraktet i fig. 14) av kraftstemplet 15 som et skyllestempel under ekspansjonsslaget av stemplet 15 mot høyre.

Et dobbeltvirkende prellstempel 16 er plassert i en felles prellsylinder 18 som har stempelstanglagere 19 og 20 og luftinntaksåpninger 21 og 22, en på hver side av stemplet 16. Stemplet 16 oppdeler sylinderen 18 i henholdsvis et negativt første prellkammer 18n og et positivt andre prellkammer 18p.

De respektive prellkammere er forsynt med trykkstyremiddel som innbefatter et par trykkstyreinnløpsåpninger 21 og 22, en i hvert prellkammer, og et par trykkstyreutløpsåpninger 25 og 26, en i hvert prellkammer. En justerbar trykk-aktivert innløpsstyre- eller tilbakeslagsventil 23 er plassert i åpning 21, og en lignende eller identisk justerbar tilbakeslagsventil 24 er plassert i åpningen 22. Utløpene 25 og 26 er forsynt med varierbart justerbare trykk-aktiverte høy-trykks utløpsstyreventiler 27 og 28 til å styre luftstrøm-ningen ut av sylinderen og derved de maksimale arbeidstrykk og prellenergien i prellkammerne.

En energlabsorberende anordning, vist som en kompressorsylinder -29 ved den ytre enden av motoren, har en utløps-åpning 30 med en tilbakeslagsventil 31 deri, en innløpsåpning 32 med en tilbakeslagsventil 33 deri og et kompressorstempel 34 deri. Stemplet 34 er forbundet med prellstemplet 16 ved hjelp av en stempelstang 35, fortrinnsvis gjennom en belg-tetning 36 ved den andre enden av sylinderen 29.

Innløpsventilene 23 og 24 har trekkfjærer for normalt å lukke ventilelementene deri, idet hver er manuelt justerbar til å endre trykkfallet over hver ventil. I det enkleste tilfellet, hvor klaringsvolumet i hver av de to prellkammerne er like stort, vil trykkfallet over ventilen samtidig bli senket eller hevet til å styre maskinens sykliske hastighet. Boksene 23a og 24a har konvensjonelle manuelt justerbare midler deri for å justerbart å endre fjærspenningen. For å endre f jærspenningen automatisk, kan det justerbare middel aktiveres ved hjelp av en avføler som reagerer på endringer i behov på den valgte energlabsorberende anordning, slik som temperaturen for et rom som skal oppvarmes eller motorhastigheten som skal behøves for en bestemt anvendelse. For kompressoren i fig. 1 kan eksempelvis en konvensjonell hastighetsreagerende eller temperaturreagerende avføler 37 koples til styringene 23a og 24a gjennom en passende mekanisme 38. Generelt kan avføleren reagere på kompressorstrøm-ning, endringer i temperaturbehov og/eller sykliske hastig-hetskrav for motoren, eller på kombinasjoner derav, eller på andre passende styresignaler. Selve avfølingsmidlet kan være av en kjent type, men er koplet gjennom en mekanisme 38 som variabelt og i alt vesentlig samtidig og på lignende måte (dvs. i den samme retningen) justerer hver av de variable trykkstyreventilene 23 og 24 og derved på lignende måte endrer de respektive arbeidstrykkene i prellkammerne 18n og 18p. Passende mekanismer er dessuten beskrevet her i forbindelse med fig. 10 og 11.

For forøvrig i alt vesentlig konstante betingelser for maskinen i fig. 1, vil syklisk hastighet bli økt ved å redusere trykkfallet over prellkammerets inntaksventiler, dvs. ved å øke det effektive middeltrykk, og følgelige energinivået i prellkammerne, og omvendt, til å minske den sykliske hastigheten. For å sikre riktig funksjonering og omgående justering av prellkammertrykk, omfatter det foreliggende styremiddel avledningsmiddel som gir en i alt vesentlig kontinuerlig åpen begrenset lekkasjebane av lite effektivt tverrsnitt primært ut av hvert prellkammer. Slike lekkasjebaner er eksempelvis tilveiebragt ved hjelp av de små avledningsåpningene 18a og 18b i fig. 1.

Alle ventilene 23, 24, 27 og 28 er plassert og konstruert for direkte forbindelse mellom de tidsvarende prellkammere og omgivende atmosfærisk luft utenfor prellsylinderen. Ikke-trykk aktiverte ventiler (ikke vist) kan også tilveiebringes i serie med eller i stedet for ventilene 13 og 24. Utløpsventilene 27 og 28 har kompresjonsfjærer deri for normalt å holde ventilene lukket. De har likeledes konvensjonelle midler 25a og 25b for justering av deres kompresjon. Automatiske midler kan tilveiebringes, som vist i fig. 11, for å justere disse ventiler på en måte som er lignende den for ventilene 23 og 24. Slik justering kan være i tillegg til eller i stedet for midlene for ventilene 23 og 24. I mange maskiner er det mest effektivt å tilveiebringe slik automatisk variabel justering og styring for kun utløps-ventilene 27 og 28, og sikre riktig funksjoner ing ved å tilveiebringe en hvilken som helst ønsket strømning inn i prellkammerne gjennom forutinnstilte innløpstilbakeslags-ventiler 23 og 24, i hvilket tilfelle de små avledningsåpningene 18a og 18b kan utelates.

Ved operasjon av maskinen bevirker forbrenning av brennstoff i kammeret til venstre for stemplet 15 kraftenheten (kraftstempel 15, prellstempel 16 og stempelstang 17, 35) og befestet kompressorstempel 34 til å bevege seg mot høyre. Dette bev-irker en oppbygning av trykk i skylleluftkammeret 10s til høyre for stempel 15, i det positive prellkammer 18p på den høyre flaten av stempel 16, og i kompresjonskammer 29 til høyre for stempel 34. Et redusert trykk oppstår i det negative prellkammeret 18n ved den venstre flaten av prellstemplet 16. Kammeret 29a til venstre for kompressorstemplet 34 kan utsettes for omgivende atmosfære, men bør fortrinnsvis konstrueres til å gi et tredje prellkammer mellom kompressorkammeret og prellkammeret 18p for etablering av den grunnleggende arbeidsbalanse mellom arbeidet i kraftseksjonen og arbeidet i kompressorseksjonen. Energien som er lagret i prellkammerne gjenvinnes ved deres bruk til å bringe kraftenheten og kompressorstemplet mot deres venstre posisjoner for det neste kraftslaget.

I tegningsfigurene 2 t.o.m. 7 har arbeidsdiagrammene kraft-slaglinjene vist som heltrukne linjer, mens returlinjen er vist som stiplede linjer. Det vil således sees at netto- arbeid pr. sykluser for hver maskinenhet er differansen i arealene under hver av linjene. For å hindre et eller flere av stemplene i å treffe enden av den omsluttende sylinderen, kan ventilene i prellerenheten justeres midligertidig til å bevirke prelleren til å virke som en kompressor, og derved midlertidig å øke belastningen å absorbere motorens energi.

I det tilfellet at oppfinnelsen fungerer i en varmepumpe som frembyr på et feiltilpasningsproblem mellom behov og kapasitet, særlig for oppvarmning under forhold med koldt vær, er alt som må gjøres for å kompensere for et normalt fall i kapasitet ved lave omgivende temperaturer, å justere innløps-ventilene 23 og 24 i fig. 1, eller 123a og 124a i fig. 8, eller de respektive ventiler i fig. 10 og 11, til å øke trykket i prellkammerne og dermed å øke maskinens hastighet. Dette kan gjøres automatisk ved hjelp av avfølere 37 og 137 som avføler den utvendige lufttemperatur og justerer ventilen i henhold til denne eller, hvis ingen avføler tilveiebringes, ved å justere ventilene manuelt.

Stempelstangen og kraftenheten i motoren i fig. 1 tilveiebringer således to stempler med totalt fire arbeidsflater, en for kraftseksjonen, en for skyllingsseksjonen, og to for prellkammerne i styreseksjonen. Når denne enhet er koplet til arbeidsstemplet hos en energlabsorberende anordning av kompressortypen, kan de to ytterligere stempelf låtene som tilveiebringes ved slikt arbeidsstempel også fullstendig anvendes, dvs. en flate som en kompressorarbeidsflate, og den andre flaten som en prellstyrestempelflate for en ytterligere (dvs. tredje) prellkammerstyreseksjon. Således er et maksimalt område av hastighetsstyring oppnåelig innenfor de generelle begrensninger som pålegges av de maksimalt til-latelige sylindertrykk og plassbegrensninger.

Modifikasjonen ifølge oppfinnelsen som er vist i fig. 8 er i grunnleggende trekk den samme i relativ plassering styring av prellkammere som den som er vist i fig. 1, ved at den har en

kraf tsyl inder 110 ved en ende, en forbindelse til en kompressor 129 ved den andre enden, og en prellerenhet 118 med separate negative og positive prellsylindre 118a og 118b som gir henholdsvis negative og positive prellkammere 118n og 118p mellom kraftstempelenden av kraftenheten og den motsatte enden av stempelstangen, som er festet til å drive kompressorstemplet. Imidlertid er en Braun motbalanseringsmekanisme 139, slik som omhandlet i US-patent 3.501.088 og en liten kompressor 140 blitt tilføyet til å gi en vibrasjonsfri kompressor og en luftkilde med høyere trykk for å variere lufttrykket i prellkammerne. Et avføler- og styremiddel 137 styrer lufttrykkene i prellkammerne som reaksjon på motorhastighet. Luft strømmer fra hjelpekompressor 140, gjennom ledning 140 til avfølerstyrt middel 137 og gjennom ledninger 138 til ventiljusterere 123a og 124a.

Det negative prellkammeret er betegnet med henvisningstall 118n og det positive med 118p. Andre elementer som tilsvarer de i fig. 1, har tall som avviker med 100. Således tilsvarer brennstoff innløp 111, luftinnløp 112 som mottar skylleluft gjennom ledning 112a fra kammer 110s, exhaust-åpning 113, åpningene 121, 125, 122, 126, 130 og 132, åpningene 11, 12, 13, 21, 25, 22, 26, 30 og 32 i fig. 1.

Funksjonen av modifikasjonen i fig. 8 og 9 er den samme som den i fig. 1, bortsett fra at prellerstemplene med den mindre diameter krever høyere lufttrykk for direkte å justere prelltrykkene. De mindre prellstemplene er nødvendige for å sette de avbalanserende ytre tannstenger i stand til å spenne over prellersylinderne ettersom de beveger seg i den motsatte retning av stemplenes bevegelse.

Fig. 10 er et skjematisk riss tilsvarende fig. 1, som viser en annen foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse, hvor fri-stempelmaskinen med variabel slaglengde omfatter en kraftenhet med et stempel 215 ved en ende av den aksielt bevegelige stempelstangen 117, 235 og med et for- b Indel sesmiddel 235a ved den andre eller ytre enden av stempelstangen for selektiv og fjernbart å drive forbindelsen til en passende energlabsorberende anordning 229 som kunne være stemplet på en kompressor, slik som i fig. 1 eller et aksielt frem- og tllbakegående elektrisk generatorelement, eller stemplet i en varmepumpeenhet. Mellom kraf tstemplet 214 og forbindelsen 235a, innbefatter kraftenheten et dobbeltvirkende prellstempel 216 som beveger seg aksielt frem- og tilbake innenfor en prellsylinder 218, slik at de respektive flater 216n og 216p på stemplet 216 oppdeler prellsylinderen 218 i et indre eller negativt første prellkammer 218n mellom kraf tstemplet og prellerstemplet, og et ytre positivt andre prellkammer 218p på den motsatte siden av prellerstemplet 216, dvs. mellom prellstemplet og den ytre stempelstangenden som bærer belastningsforbindelsen 235a for arbeidselementet i den energlabsorberende anordning eller belastning. For å oppnå det ønskede område og fleksibilitet av styring innenfor praktiske grenser for en slik total kraftenhet, er det effektive tverrsnittsareal av det dobbelt-virkende prellerstemplet 216 vesentlig større enn det for kraftstemplet, som allerede beskrevet, med en faktor i omrdet fra minst 1,5 til minst fire ganger arealet av kraftstemplet 215.

Elementer i fig. 10 som tilsvarer lignende elementer i fig. 1 er gitt tall i 200 serien, med de siste to sifre tilsvarende generelt de tilsvarende nummerte deler i fig. 1. Således omfatter styringene for prellkammerne 218n og 218p respektive innløpsåpninger 221 og 222 som styres av fjærbelastede innløpsventiler 223 og 224. Disse ventiler er forspent nedad i fig. 10 ved justerbare fjærer 223a og 224a, som er respek-tivt forbundet med ytterendene 241 og 242 på en generelt horisontal styrearm 243 som er dreibart lagret på en horisontal (som vist) akse eller aksel 244 som bæres av en vertikalt bevegelig støtteglider 246. Denne glider er i sin tur understøttet for begrenset vertikal bevegelse innenfor et tubulært vertikalt hus 247 som har sin øvre ende festet til bunnen av prellsylinderen 218 eller en korresponderende ramraedel.

Den vertikale posisjon av den bevegelige støtteglider 246 kan justeres ved hjelp av et vertikalt bevegelig ledd 248 som har sin nedre ende dreibart anbragt på akselen 244 og sin øvre ende 249 dreibart anbragt ved 251 til en ende av en to-armet vektstang 252 som er dreibart anbragt ved et mellomliggende punkt 253 til en annen støttebrakett eller rammeelement 254. Den ytre enden 256 av vektarmen 252 kan plasseres langs en skala 257 til å etablere et relativt lavere eller høyere trykkområde samtidig innenfor hvert prellkammerne 218n og 218p, ved å skyve dreiepunktet 244 for styrearmen 243 nedad i en større eller mindre grad og således øke eller redusere spenningen i fjærene 223a og 224a som styrer inngangen av atmosfærisk luft til begge prellkammere ved den nedre enden av trykkområdet som oppnås i slike kammere ettersom volumet for hvert prellkammer nærmer seg sitt maksimum.

Den relative posisjon av vektarmen 252 kan styres manuelt eller automatisk. I flg. 10 er en automatisk styring vist, hvor den ytre enden 256 av vektarmen 252 er forbundet, som skjematisk vist ved 258, til en hastighetsreagerende eller temperaturreagerende styreenhet som vist skjematisk ved 259.

Slik som med anordningen i fig. 1, er de respektive prellkammere 218n og 218p forsynt med konstant åpne avledningsåpninger, henholdsvis 218a og 218b. Disse åpninger gir begrenset, men ønskelig og i alt vesentlig kontinuerlig lekkasje av luft fra prellkammerne til å hjelpe til med å nå de ønskede prelltrykk for hvilke innløpsventilene 224 styres.

I dette tilfellet, slik som i fig. 1, er prellkammerne forsynt med trykkavlastningsåpninger 225 og 226, hvilke er i stand til vesentlig avlastning av trykk fra slag til slag, på hvilket som helst maksimumstrykkområde som er blitt etablert ved hjelp av de variable trykkavlastningsventilene 227 og 228. Avlastningstrykket for disse ventiler kan igjen innstilles ved manuell justering av fjærspenningen deri, eller som ytterligere beskrevet i fig. 11, kan de styres i alt vesentlig samtidig (p.g.a. de hurtige frem- og tilbake-slag av prellerstemplet 216 med stempelstangenheten 217, 235) til å styre apparatet ved tilsvarende begrensning av de maksimale trykk innenfor de to prellkammerne.

Et ytterligere trekk ved styremekanismen vist i fig. 10 involverer muligheten for relativ justering av innløps-trykkene i det ene eller det andre prellkammer til litt forskjellige nivåer enn hva som eksisterer ved deres respektive driftsinnstillinger. For dette formål innbefatter vektarmen 243 en sammenhengende nedadragende justeringsarm 261 som er perpendikulær på armen 243, hvilken kan styres ved sin nedre ende 262 til å vugge det fullstendige vektarm-elementet 243, 261 i en retning med eller mot urviseren rundt den støttepivot 244, som reaksjon på styresignaler fra en annen avføler, slik som de velkjente bankeavfølerne for signalering av begynnende banking hos en motor innenfor dens kraftsylinder.

Som vist i fig. 10 kan den nedre enden 262 av vektarmen 261 normalt tvinges mot høyre ved hjelp av et forbindelsesledd 263 som er dreibart ved 263a til et horisontalt bevegelig stempel 264, tvunget mot høyre i fig. 10 ved hjelp av en fjær 266 innenfor sylinder 267. Vuggingen av vektarmen 261 mot høyre i fig. 10 vil redusere spenningen i fjæren 224a og tilsvarende øke spenningen av fjæren 223a, slik at luft kan gå inn i prellkammer 218p ved et litt høyere trykk i kammeret 218p og kunne gå inn i prellkammeret 218n ved et noe lavere trykk i kammer 218n enn hva som eksisterte like før slik bevegelse av vektarmenden 262 mot høyre. Hvis en lavere inrigangstrykkinnstilling ønskes for prellkammeret 218p og et høyere inngangstrykk for prellkammeret 218n, kan så den nedre enden av vektarmen 261 skyves mot venstre i fig. 1 ved tilførsel av luft under passende trykk til styrekammeret 268 til høyre for stemplet 264.

Slikt trykk kan tilføres under styring av en normalt lukket solenoidventil 269 som kan åpnes til å tillate komprimert luft eller gass, enten fra skyllepumpen for en slik motor eller fra en hvilken som helst annen trykk-kilde som angitt generelt ved 271, som leverer den nødvendige trykksatte styreluft eller gass gjennom en tilbakeslagsventil 272. Kammeret 268 i hvilket stempel 264 kan beveges mot for-spenningen fra fjæren 266 ved en økning av trykk innenfor kammeret, er også forsynt med en avledningsåpning 273, for å tillate reduksjon av trykk 268 og korresponderende bevegelse av stempel 264 tilbake mot høyre under innflytelsen av fjær 266, i det omfang at den normalt lukkede solenoidventilen 269 ikke aktiveres som reaksjon på et signal som indikerer begynnende banking i kraftsylinderen. En slik bankeavfølende anordning er angitt skjematisk ved 274 i fig. 10.

Hvis således de samlede motortilstander som involverer kraftstempel , prellstempel og belastningselement eller energlabsorberende anordning er slik at stempelstangen for kraftenheten drives tilbake på sitt kompresjonsslag i en slik grad at det fører til begynnende eller faktisk banking, vil signalet fra en velkjent type av bankeavføler åpne den normalt lukkede solenoidventilen til å øke trykket i kammer 268, bevege stempel 264 og vektarm 262 gradvis mot venstre, og således vugge vektarmen 243 for derved å øke spenningen fjæren 224a, minske spenningen i fjæren 223a, og således i alt vesentlig samtidig (p.g.a. motorslagenes frekvens) å gjøre det vanskelig for luft å gå inn i prellkammeret 218p, mindre vanskelig for luft å gå inn i 218n, og således hurtig å etablere et lavere trykkområde i det positive prellkammeret, med en tilsvarende reduksjon i kraften som utøves mot flaten 216 på det dobbeltvirkende prellstemplet under retur eller kompresjonsslaget for stempelenheten, og en tilsvarende og i alt vesentlig samtidig økning i .trykkområdet innenfor kammeret 218n som, i sin tur, vil redusere arbeidet som er tilgjengelig i kammeret 218p, i å bidra til stempelstangens innadkompresjonsslag og tilsvarende øke motstanden fra trykket i kammeret 218n til stempelstangens innadkompresjonsslag og således eliminere eller hindre banking i kraftsylinderen.

Når bankeavfølersignalet således er eliminert, vil ventilen 269 gjenoppta sin normalt lukkede posisjon, og unnslippingen av trykk fra kammer 268 gjennom avledningsåpnng 273 vil reversere styreprosessen, hvilket alt skjer innenfor korte tidsintervaller, i betraktning av den relativt høye frekvens av frem- og tllbakegående bevegelse av stempelstangen av denne type av fri stempelmotor. Kraftstemplets "topp-død senter" posisjon vil intermittent (innenfor disse korte tidsintervaller) oscillere mellom den begynnende banke-posisjon og en liten distanse før dette punkt for maksimal motorvirkningsgrad, uansett hvor posisjonen av begynnende banking kan opptre under innflytelse av driftsbetingelser, slik som motorens inntaksluf ttemperatur, forholdet mellom luft og brennstoff, struperposis j on, brennstof foktantall, høyde og annet. Således blir motoren satt i stand til å operere under en hvilken som helst nominell innstilling ved punktet for den høyeste virkningsgrad som dens generelle tilstand er i stand til.

Anordningen i fig. 10 understreker dessuten fordelene med å tilveiebringe en enkelt prellsylinder med lukkede ender gjennom hvilke en stempelstangenhet, med et kraftstempel ved en ende og en energlabsorberende belastningsanordnings forbindelse ved den andre enden kan bevege seg frem og tilbake aksielt, og hvor stangen er forsynt med et dobbelt-virkende prellstempel innenfor prellsylinderen, som definerer to prellkammere av i alt vesentlig likt sirkulært tverrsnitt. Således er like og motsatte absolutte volumendringer til-gjengelige i de to prellkammerne ettersom stempelstangen beveger seg aksielt frem og tilbake. Tilveiebringelsen av to slike motsatt virkende prellkammere på dette spesielle sted og relativ oppstilling mellom kraftstemplet og belastnings-forbindelsesendene for kraftenheten letter den hurtige og nøyaktige styring av trykkområdene i slike prellkammere for optimal motorytelse.

Dessuten gjør den foretrukne tilveiebringelse av prellstempelflater (tverrsnittarealer) som ikke bare er i alt vesentlig like med hverandre i de respektive prellkammere, men er også vesentlig større, som vist i fig. 1 og 10, enn arealet av kraftstemplet, det mulig å tilveiebringe samlede prellkammerkrefter (dvs. stempelareal ganger øyeblikke trykk) som er store nok til å etablere og/eller opprettholde den ønskede høye grad av styring over operasjonen av stempelstangen og kraftenheten under varierende belastnings- og frekvensbetingelser som kreves av hvilken som helst særlig energlabsorberende anordning (f.eks. kompressorstempel, varmepumpeenhetstempel, eller aksielt bevegelig elektrisk generatorelement), som er valgt for forbindelse til den ytre enden av stempelstangen.

Små endringer i prellinnløpsventiltrykkene ved de lave ender av hvert prellkammertrykkområde, som etablert ved innstill-ingene av prellkammerets variable trykk innløpsventiler, kan medføre langt større trykkforskjellsforhold ved den høye enden av slike prellkammertrykkområder, mens de maksimale trykk ved slike områder også kan styres ved hjelp av inn-stillingene av de respektive prellkammers variable trykk-avlastningsventiler.

De små, konstante åpne avledningsåpninger, slik som 218a og 218b, tilveiebringer dessuten begrensede innløps- og utløps-funksjoner i hvert prellkammer, og deres funksjon bør innbefattes i visse tilfeller. Slik funksjon kan også oppnås som del av konstruksjonen eller operasjon av de variable trykkprellkammerventilene, eller ved begrenset lekkasje langs aksel te tningene ved de respektive endevegger av prell kammerne, eller endog ved begrenset lekkasje rundt periferien av prellstemplet fra et prellkammer til det andre. I alle tilfelle bør imidlertid de ønskede funksjoner av slike avledningsåpninger suppleres (eller forsynes) med minst et par (et i hvert prellkammer) variable prellkammer innløps-styreventiler, eller et par (et i hvert prellkammer) variable prel lkammertrykkavlastningsventiler, eller fortrinnsvis med begge silke par.

Fig. 11 viser en utførelsesform av oppfinnelsen hvor den ønskede styring av fri-stempelmaskinen er særlig oppnådd ved et par trykkavlastningsutløp 325 og 326 (et i hvert av prellkammerne 318n og 318p). Disse trykkavlastningsutløps-midler styres av variable trykkutløpsventiler 327 og 328 som vist skjematisk i fig. 11. Et par små konstante åpne avledningsåpninger 318a og 318b (en i hvert av prellkammerne 318n og 318p) er også tilveiebragt. Begge avledningsåpninger og de variable trykkavlastningsventilene er vist eksempelvis som plassert i de aksielle endevegger av prellkammeret 318, som også er forsynt med sentrale lagerdeler og avtetnlnger ved 319 og 320 til å motta den aksielt bevegelig stempelstangenheten 317, 335. Denne stang har et kraftstempel 315 ved sin indre ende og en forbindelse 335a ved sin ytre ende for lett fjernbar forbindelse til et bevegelig element 334 i en utvalgt energlabsorberende anordning 329 som også er fjernbart festet til den ytre enden av maskinen ved 341".

Elementer i fig. 11 som tilsvarer lignende elementer i andre figurer er gitt tall i 300-serien, med de to siste sifre tilsvarende generelt de lignende nummererte deler i fig. 1. Således beveger kraftstemplet 315 seg aksielt innenfor en kraf tsyl inder 310 og komprimerer den passende brennstoff-blandingen i forbrenningskammerets 310p under et kompresjonsslag av kraftenheten 317, 335 og dens tilhørende deler fra høyre mot venstre i fig. 1. Forbrenning av brennstoff-blandingen i kammer 310p driver så kraftstemplet 315 og tilhørende stempelstang mot høyre i fig. 11 i det passende kraftslaget som behøves for operasjon av den energlabsorberende anordningens element 334. Det dobbeltvirkende prellstemplet 316, som bæres av stempelstangen, oppdeler det sylindriske prellkammeret 318 i et første prellkammer 318n mot maskinens kraftstempelende og et andre prellkammer 318p mot belastningsforbindelsesmidlet ved maskinens andre ende. Disse prellkammere anvendes for styring av maskinen, og styringene innbefatter de konstant åpne, begrensete åpninger, henholdsvis 318a og 318b, (et i hvert kammer) i kombinasjon med paret av trykkavlastningsåpninger 325 og 326 styrt av variable trykkventilelementer, henholdsvis 327 og 328, beskrevet ovenfor. Lukkekreftene for ventilene blir justerbart innstilt av fjærelementer 343 og 344 som komprimeres mellom ventilene og to respektive styreanlegg 345 og 346. Anlegg 345 rager oppad fra et glideorgan 347 som understøttes for relativ glidning innenfor det hule mottakende kammeret 348 av et teleskoperende ytre gliderorgan 349. Glideren 349 er i sin tur relativt glidbar langs den samme aksen som organet 347 innenfor kanalen 351 av en glidestøtte 352 som er festet til bunnen av prellsylinderen 318 eller til et passende rammeelement på motoren.

En fjær 353 som er plassert innenfor kammeret eller for-dypningen 348 i den ytre glideren 349, dvs. mellom den indre enden av fordypning 348 og den understøttede ende av gliderorganet 347, tvinger normalt de to gliderorganene 347 og 349 i motsatt utadgående retninger, med tendens til å redusere fjærtrykkene som tilføres ved 343 og 344 til avlastnings-ventilelementene 327 og 328.

For å tilveiebringe den relative bevegelse av gliderne 347 og 349 mot hverandre til å redusere avstanden mellom anleggene 345 og 346 og således øke fjærtrykkene på utløpsventilene 327 og 328, er det indre gliderorganet 347 forsynt med en forlengelsesaksel 354 som strekker seg aksielt gjennom den ytre glideren 349 til et stempel 356 innenfor en styresylinder 357 ved den ytre enden av gliderorganet 349 som bærer anlegg 346. For å bevege de respektive glidere 347 og 349 og deres anlegg 345 og 346 mot hverandre, kan trykk økes innenfor sylinderkammeret 358 på den venstre siden (slik som betraktet i fig. 11) av stempel 356.

For dette formål kan en variabel trykkregulator 359 som er koplet til en kilde 360 for trykkluft eller gass mate slikt trykkfluidum gjennom innløp 362 inn i kammer 358 som reaksjon på signaler fra en passende avføler vist skjematisk ved 361, slik som et signal fra en hastighetsreagerende avføler som indikerer en uønsket minskning i hastighet eller frekvens for fri-stempelmaskin. En utluftning 355 holder den ytre enden av sylinderen 357 på omgivelsestrykk, slik at stemplet 356 er fritt til å bevege seg utad som reaksjon på trykkøkninger i kammeret 358.

De økte ventillukketrykkene fra fjærene 342 og 344 kan således gi økte maksimumstrykknivåer innenfor de respektive prellkammere 318n og 318p til å øke hastigheten av motorens drift inntil signalet fra hastighetsregulatoren tillater regulatorventilen 359 å lukke. Ved det punkt vil trykk bli avlastet innenfor kammer 358 av glidesylinderen 357 ved hjelp av den lille avledningsåpningen 363. Hvis trykket faller til et punkt hvor gliderne beveger seg langt nok fra hverandre, til å bevirke et annet uønsket fall i motorhastighet, vil styreprosessen som nettopp er beskrevet bli gjentatt, slik at motorhastigheten kan variere litt på en syklisk måte nær den ønskede motorhastigheten. Denne styreløsning reagerer på uønskede minskninger i hastighet, men det bør forstås at et slikt styresystem også kunne bringes til å reagere på uønskede økninger i motorhastighet.

Som videre vist i fig. 11, kan gliderorganene 347 og 349 og deres fjær-styrende anlegg 345 og 346 beveges aksielt som en enhet til å øke avlastningstrykket som gis av fjæren 342 og samtidig minske fjærtrykket som gis av fjæren 344, eller omvendt. For dette formål er et stempel 364 som er stivt festet til den ytre enden av glideren 349, opptatt i en styresylinder 367 som er festet til en stasjonær motordel eller ramme ved 366. En fjær 365 mellom den ytre enden av glideren 349 og den indre enden (venstre ende, som betraktet i fig. 11) av den faste sylinderen 367 tvinger normalt den samlede enhet av glidere 347 og 349 i en retning (venstre i fig. 11) til å påføre maksimalt fjærtrykk ved 343 på avlastningsventil 327 og å tilføre minimalt fjærtrykk ved 344 på avlastningsventil 328.

For å plassere gliderne mot kraften fra fjæren 365, kan trykket i sylinderkammer 368 styres, eksempelvis som reaksjon på signaler fra en kjent bankeavføler 374 av den type som er beskrevet i-forbindelse med fig. 10. Således kan signalet fra en slik avføler for begynnende banking åpne en solenoid-styrt ventil 369 til å mate komprimert luft eller gass fra en passende kilde 371 (slik som skyldepumpekammeret 310s eller en hvilken som helst annen passende trykk-kilde) gjennom tilbakeslagsventil 372 inn i kammerets 368 innløp. Slikt trykk på -den indre flaten av stemplet 364 vil overskride omgivelsestrykket gjennom den åpne enden av sylinder 367 mot den ytre flaten av stempel 364 og vil således tvinge gliderne 347 og 349 sammen mot den faste sylinderen 367, og holde gliderene i en operasjonsstilling hvor de respektive prell-kammermaksimaltrykk forventes å gi tilfredsstillende motorytelse. Trykket som er tilgjengelig fra kilde 371, og det effektive areal av stempel 364, må være store nok til å overvinne kraften fra fjæren 365, og bevege gliderne langs nok mot høyre (fig. 11) til å redusere det maksimale utløps-trykket på prel1trykkstyreventi len 328, og resultere i motorytelse som ikke lenger gir et bankeavfølersignal. Ventil 369 vil så lukke, og avledningsåpningen 373 vil muliggjøre langsom frigivelse av trykk fra kammer 368 til å la gliderne bevege seg tilbake og øke prellavlastningstrykket ved ventil 326, slik at motordriften igjen kan nærme seg det begynnende bankepunkt, hvor operasjonen generelt ansees å være mest virkningsfull. Således kan den øvre dødsenter- posisjonen for kraf tstemplet 315 svinge innenfor et smalt område som er nær det begynnende bankepunkt for å opprettholde den ønskede dekningsgrad av motoroperasjonen.

Styresystemene som er vist i fig. 11 opererer til å gi de ønskede prellkammertrykkområder ved variabelt å styre de maksimale trykk innenfor slike kammere, uten å basere seg på styringene ved lavtrykksendene av slike områder, slik som nærmere beskrevet i forbindelse med fig. 10.

Fig. 11Å viser en foretrukket modifikasjon av anordningen i fig. 11, hvor paret av små konstant åpne avledningsåpninger 318a og 318b erstattes av innløpsåpninger 321 og 322 som er styrt av en-veis innløpsventiler 323 og 324 for de respektive prellkammere 318n og 318p. Innløpstrykket på hvilket innløpsventilen vil åpne, kan forutinnstilles, eller variabelt justeres som vist skjematisk ved 323a og 324a, og innløpsventilene er forsynt med innsnevrete åpninger 323b og 324b som er "oppstrøms" fra prellkammerets innløpsåpninger og en-veis ventildelene. Slike innsnevrede åpninger er åpne direkte mot omgivelsesluften ved atmosfærisk trykk og er innsnevret primært til å begrense takten som luft kan suges inn i de respektive prellkammere under intervallene hvor en-veis tilbakeslagsventile er åpne. Slike innsnevrede åpninger kan være så små som 0,05 cm i effektiv diameter, til å begrense innad strømningen av omgivelsesluft, når innløps-ventilene er åpnet. Innløpsventilene er således nyttige til å tilveiebringe begrenset uskiftning av styreluft innenfor de respektive prellkammere, mens hovedstyringen av prellkammerarbeidstrykkene oppnås som beskrevet i forbindelse med fig. 11 ved de angitte variable justeringer av de maksimale trykk, ved hvilke de respektive prellkammer exhaust-ventiler 327 og 328 vil bli åpnet. Innløpstilbakeslagsventilene kan imidlertid innstilles til å la styremidlene arbeide med høyere prelltrykk.

Modifikasjonene i fig. 11 og 11A har både sikkerhets- og driftsfordeler ved å tilveiebringe et særlig bredt område av prellkammerstyretrykk, primært ved å styre maksimumstrykkene i slike kammere.

Således tilveiebringer den foreliggende oppfinnelse et bredt område av styremuligheter ved å tilveiebringe minst et "negativt" eller indre prellkammer som er plassert mot stempelstangenden av en slik motor, dvs. mellom en prellstempelflate på stempelstangen av motoren og selve kraftstemplet, i kombinasjon med et såkalt "positivt" eller ytre prellkammer som er plassert mot den ytre enden av motoren, dvs. mellom det indre prellkammeret og belastningsforbindelsesmidlet "ved den andre enden av stempelstangen av fri stempelmotorenheten.

Den tilgjengelig styringsfleksibilitet som tilveiebringes ved slike relative plasseringer og ved de angitte relative tverrsnittsarealer av prellkammerne, hjelper til å muliggjøre bruken av-forskjellige energlabsorberende anordninger med den samme grunnleggende kraftenhet, ved selektivt og fjernbart å forbinde slike forskjellige anordninger, som vist skjematisk ved 335a og 341 i fig. 11, til den lukkede ytre enden av det ytre prellkammeret eller til en viss annen passende rammedel, og ved å anvende den samme kraftenheten og stempelstangen 317, 335 til å drive det ønskede bevegelige elementet 334 av den spesielle energlabsorberende anordning som velges for en bestemt anvendelse.

Når den energlabsorberende anordning er en arbeidskompressor (eller pumpe), som særlig vist i fig. 1, tilveiebringer oppfinnelsen en relativ plassering av motordeler som tillater at kompressoren eller pumpekammeret kan adskilles fra, og derved effektivt avtettes fra de motorhastighetstyrende prellsylindre. Dette tillater bruk av et arbeidsfluidum i kompressoren eller pumpekammeret som er forskjellig fra, f. eks. uforenlig med, det styrende fluidum, slik som luft, som anvendes i motorens prellsylinder.

Selv om oppfinnelsen er særlig vist i en fri-stempelmotor for å drive kompressor, kan den også anvendes i en slik motor for å drive en elektrisk vekselstrømsgenerator eller en viss annen energlabsorberende anordning (EAA) som utsettes for varierende belastninger som her beskrevet, eller som krever en motor som reagerer på et bredt område av endringer som kreves av en spesiell belastningsanordning. Modifikasjoner kan foretas i utførelsesformen som er beskrevet her innenfor hensikten og omfanget av de etterfølgende patentkrav.

Claims (19)

1. Fr i-stempelmotor med variabel slaglengde, omfattende en kraftenhet som har en aksielt frem- og tilbakebevegellg substans med motsatte første og andre ender, et kraftstempel fastgjort til den første enden, et forbindelsesmiddel ved den andre enden for å drive et bevegelig element i en utvalgt energlabsorberende anordning (EAA), og en dobbeltvirkende prell (bounce) stempelenhet som er fastgjort til stempelstangen mellom nevnte første og andre ender og som har første og andre prellstempelarbeidsflater som vender mot henholdsvis den første og den andre stempel stangenden for samtidig aksiell frem- og tllbakegående bevegelse av stanagen, kraftstemplet, prellstempelenheten og EAA fordindelsesmidlet som en enhet under suksessive, vekslende kraftstempel-kompresjonsslag mot den første enden og kraftstempelekspansjonsslag mot den andre enden av stempelstangen, karakterisert ved at aksielt-fikserte prellsylindermidler samvirker med prellstempelenheten og gir et negativt første prellkammer ved et relativt aksielt sted mellom den første prel1stempelarbeidsflaten og kraftstempelenden av stempelstangen og et positivt andre prellkammer ved et relativt aksielt sted mellom den andre prellstempelarbeidsflaten og EAA forbindelsesenden av stempelstangen, og et styremiddel for nevnte motor som omfatter minst et par prellkammertrykkstyreåpninger (en i hvert prellkammer), minst et par av variabelt justerbare prelltrykkstyreventiler (en for hver av prellkammerstyreåpningene i nevnte par), midler for å forbinde hver styreventll i nevnte ene par til dens respektive prellkammerstyreåpning for varierbart å justere arbeidstrykkene i dens respektive prellkammer, og midler som reagerer på endringer i behov på den valgte energlabsorberende anordningen og er operativt koplet til nevnte ene par av styreventiler for varierbart og i alt vesentlig samtidig på lignende måte (dvs. i den samme trykk-endringsretning) å justere hver av de variable trykkstyreventilene av nevnte ene par under operasjon av motoren og derved på lignende måte å endre det respektive prellkammerarbeidstrykk i hvert prellkammer begge oppad eller begge nedad for effektivt å styre motorfrekvensen til å tilfredsstille slike endringer i behov.

2. Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at arealet av hver første og andre prell-stempelarbeidsflate er større enn arbeidsarealet av kraftstemplet med en faktor i området fra minst 1,5 til minst 4 ganger arealet av kraftstemplet.

3. Fr i-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at arealene av hver av den første og andre prellstempelarbeidsflaten er i alt vesentlig lik hverandre.

4. Fr i-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at prel lkammer trykks tyreåpningene av nevnte, minst ene par av åpninger, og de tilsvarende variabelt justerbare prelltrykkstyreventiler av slikt par, er plassert og konstruert for direkte forbindelse mellom de tilsvarende prellkammere og omgivende atmosfærisk luft utenfor prellsylindermidlet, når nevnte styreventiler er åpne, idet nevnte prellkammere effektivt styrer motoren uten å krevet et trykksatt reservoar av høytrykks prellstyrefluidum.

5. Fr i-stempelmotor som angitt i krav 4, karakterisert ved at prellsylindermidlet omfatter en enkelt felles prell syl inder som tilveiebringer nevnte første og andre prellkammere, og hvor de første og andre prellstempel-arbeidsf låtene er motsatte flater på et enkelt prellstempel som går frem- og tilbake innenfor den felles prellsylinderen og adskiller de respektive første og andre prellkammere innenfor slik prellsylinder.

6. Fri-stempelmotor som angitt i krav 5, karakterisert ved at den valgte energlabsorberende anordning er en stempelmaskin som har en kompressor som er koaksial med motorstempelstangen, og at dens bevegelige element for å få forbindelse til den andre enden av kraftakselen er et kompressorstempel som er understøttet for aksiell bevegelse innenfor slik kompressorsylinder.

7. Fri-stempelmotor som angitt i krav 6, karakterisert ved at kompressorsylinderen og kompressorstemplet tilveiebringer et kompressorkammer som er adskilt fra, og dermed effektivt avtettet fra nevnte motorprell-sylinder for bruk av et arbeidsfluidum i kompressorkammeret som er forskjellig fra, f.eks. uforenlig med, et hvilket som helst styrefluidum, eksempelvis luft, som anvendes i motor-prellsylinderen.

8. Fri-stempelmotor som angitt i krav 6, karakterisert ved at en skylleseksjon er tilveiebragt i motoren mellom den bakre (indre) flaten av kraftstemplet og det negative første prellkammeret, og at kompressorstemplet i den valgte energlabsorberende anordningen har en flate som tjener som en arbeidskompressorflate og en motsatt flate som tjener som en prellstempelflate i et ytterligere prellkammer som er plassert mellom arbeidskompressorens kammer og det positive første prellkammeret i motoren.

9. Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte styremiddel dessuten omfatter motorstyremiddel som har et motorvirkningsgradavfølende middel som reagerer på en motordriftstilstand, idet nevnte virkningsgradavfølende middel er driftsmessige forbundet med de variabelt justerbare prellkammertrykkstyreventilene for minst nevnte ene par for variabelt og i alt vesentlig samtidig og motsatt (dvs. i motsatte retninger) å justere hver av de variable trykkstyreventilene i nevnte par og derved forskyve de relative prellkammerarbeidstrykkene i motsatte retninger relativt hverandre og derved forskyve suksessive topp dødsenterposisjoner for kraftstemplet og stempelstangen i en relativ aksiell retning som har tendens til å opprettholde den ønskede motorvirkningsgrad.

10. Fri-stempelmotor som angitt i krav 9, karakterisert ved at nevnte motorvirkningsgradavfølende middel omfatter en anti-bankingsavføleranordning som reagerer på begynnende motorbanking ved kraftstempel topp dødsenter-posisjoner like før disse, ved hvilke faktiske bankning kunne finne sted.

11. Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte styremiddel også innbefatter et andre par av prellkammertrykkstyreåpninger (en for hvert prellkammer) og et korresponderende andre par av prelltrykkstyreventiler (en for hvert prellkammer), og at de respektive styreventiler i det andre paret er justerbare for ytterligere å styre prellkammertrykkene.

12. Fri-stempelmotor som angitt i krav 11, karakter 1-s ert ved at nevnte styremiddel også omfatter avledningsmidler som tilveiebringer en begrenset lekkasjebane med lite, effektivt tverrsnitt ut fra og inn i hvert prellkammer .

13. Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at hvert prellkammer har avledningsmidler som omfatter en liten avledningsåpning som gir en i alt vesentlig kontinuerlig åpen begrenset lekkasjebane mellom hvert prellkammer og den omgivende atmosfære utenfor slikt prellkammer, og at de variable prelltrykkstyreventilene dessuten styrer den relative strøm av luft mellom de respektive prellkammere og den omgivende atmosfære utenfor slike prellkammere.

14. Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at den valgte absorberende anordning er en kompressor, -og nevnte dobbeltvirkende prellstempelenhet og prellsylindermidler har en avbalanseringsenhet som i det minste delvis omgir dem, idet nevnte motor har en reverser-ingsmekanisme koplet mellom nevnte avbalanseringsenhet og nevnte stempelstang.

15. Fri-stempelmotor og kompressorkombinasjon som angitt i krav 14, karakterisert ved at nevnte reverser-ingsmekanisme omfatter tannstenger og tannhjul.

16. Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at prelltrykkstyreventilene i nevnte ene par er prellinnløpstrykkstyreventiler for selektivt å justere minimumsinnløpstrykkene for hvert fjærkammer.

I7- Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at prelltrykkstyreventilene på nevnte ene par er trykkavlastningsutløpsventiler for selektivt å justere de maksimale innvendige trykk i hvert fjærkammer.

18. Fri-stempelmotor som angitt i krav 17, karakterisert ved at styremidlet omfatter et andre par av prellkammertrykkstyreåpninger (en i hvert prellkammer) og et par prel 1 innløpstrykkstyreventiler (en for hver styreåpning av nevnte andre par) for etablering av minimumsinnløps-trykkene for hvert prellkammer.

19. Fri-stempelmotor som angitt i krav 18, karakterisert ved at prellinnløpstrykkstyreventilene omfatter en innsnevret åpning som er åpen mot omgivende atmosfærisk luft og derved begrenser innadstrømningen av slik luft inn i nevnte prellkammere når nevnte innløpstrykkstyreventiler åpnes som reaksjon på relativt lavere trykk innenfor slike prellkammere.

1. Fri-stempelmotor med variabel slaglengde, omfattende en kraftenhet som har en aksielt frem- og tilbakebevegelig substans med motsatte første og andre ender, et kraftstempel fastgjort til den første enden, et forbindelsesmiddel ved den andre enden for å drive et bevegelig element i en utvalgt energlabsorberende anordning (EAA), og en dobbeltvirkende prell (bounce) stempelenhet som er fastgjort til stempelstangen mellom nevnte første og andre ender og som har første og andre prellstempelarbeidsflater som vender mot henholdsvis den første og den andre stempel stangenden for samtidig aksiell frem- og tllbakegående bevegelse av stanagen, kraftstemplet, prellstempelenheten og EAA fordindelsesmidlet som en enhet under suksessive, vekslende kraftstempel-kompresjonsslag mot den første enden og kraftstempelekspansjonsslag mot den andre enden av stempelstangen, karakterisert ved at aksielt-fikserte prellsylindermidler samvirker med prellstempelenheten og gir et negativt første prellkammer ved et relativt aksielt sted mellom den første prellstempelarbeidsflaten og kraftstempelenden av stempelstangen og et positivt andre prellkammer ved et relativt aksielt sted mellom den andre prellstempelarbeidsflaten og EAA forbindelsesenden av stempelstangen, og et styremiddel for nevnte motor som omfatter minst et par prellkammertrykkstyreåpninger (en i hvert prellkammer), minst et par av variabelt justerbare prelltrykkstyreventiler (en for hver av prellkammerstyreåpningene i nevnte par), midler for å forbinde hver styreventll i nevnte ene par til dens respektive prellkammerstyreåpning for varierbart å justere arbeidstrykkene i dens respektive prellkammer, og midler som reagerer på endringer i behov på den valgte energlabsorberende anordningen og er operativt koplet til nevnte ene par av styreventiler for varierbart bg i alt vesentlig samtidig på lignende måte (dvs. i den samme trykk-endringsretning) å justere hver av de variable trykkstyreventilene av nevnte ene par under operasjon av motoren og derved på lignende måte å endre det respektive prellkammerarbeidstrykk i hvert prellkammer begge oppad eller begge nedad for effektivt å styre motorfrekvensen til å tilfredsstille slike endringer i behov.

2. Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at arealet av hver første og andre prell-stempelarbeidsf late er større enn arbeidsarealet av kraftstemplet med en faktor i området fra minst 1,5 til minst 4 ganger arealet av kraftstemplet.

3. Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at arealene av hver av den første og andre prellstempelarbeidsflaten er i alt vesentlig lik hverandre.

4. Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at prel lkammer trykks tyreåpningene av nevnte, minst ene par av åpninger, og de tilsvarende variabelt justerbare prel1trykkstyreventiler av slikt par, er plassert og konstruert for direkte forbindelse mellom de tilsvarende prellkammere og omgivende atmosfærisk luft utenfor prellsylindermidlet, når nevnte styreventiler er åpne, idet nevnte prellkammere effektivt styrer motoren uten å krevet et trykksatt reservoar av høytrykks prellstyrefluidum.

5. Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte styremiddel dessuten omfatter motorstyremiddel som har et motorvirkningsgradavfølende middel som reagerer på en motordriftstilstand, idet nevnte virkningsgradavfølende middel er driftsmessige forbundet med de variabelt justerbare prellkammertrykkstyreventilene for minst nevnte ene par for variabelt og i alt vesentlig samtidig og motsatt (dvs. i motsatte retninger) å justere hver av de variable trykkstyreventilene i nevnte par og derved forskyve de relative prellkammerarbeidstrykkene i motsatte retninger relativt hverandre og derved forskyve suksessive topp dødsenterposisjoner for kraftstemplet og stempelstangen i en relativ aksiell retning som har tendens til å opprettholde den ønskede motorvirkningsgrad.

6. Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte styremiddel også innbefatter et andre par av prellkammertrykkstyreåpninger (en for hvert prellkammer) og et korresponderende andre par av prelltrykkstyreventiler (en for hvert prellkammer), og at de respektive styreventiler i det andre paret er justerbare for ytterligere å styre prellkammertrykkene.

7. Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at hvert prellkammer har avledningsmidler som omfatter en liten avledningsåpning som gir en i alt vesentlig kontinuerlig åpen begrenset lekkasjebane mellom hvert prellkammer og den omgivende atmosfære utenfor slikt prellkammer, og at de variable prelltrykkstyreventilene dessuten styrer den relative strøm av luft mellom de respektive prellkammere og den omgivende atmosfære utenfor" slike prellkammere.

8. Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at den valgte absorberende anordning er en kompressor, og nevnte dobbeltvirkende prellstempelenhet og prellsylindermidler har en avbalanseringsenhet som 1 det minste delvis omgir dem, idet nevnte motor har en reverser-ingsmekanisme koplet mellom nevnte avbalanseringsenhet og nevnte stempelstang.

9. Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at prelltrykkstyreventilene i nevnte ene par er prellinnløpstrykkstyreventiler for selektivt å justere minimumsinnløpstrykkene for hvert fjærkammer.

10. Fri-stempelmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at prelltrykkstyreventilene på nevnte ene par er trykkavlastningsutløpsventiler for selektivt å justere de maksimale innvendige trykk i hvert fjærkammer.