專利名稱：一種動力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動力裝置，該裝置帶有一個柴油機(jī)(diesel)自由活塞裝置，一個壓縮裝置，一個渦輪機(jī)和一個電子裝置，其中自由活塞裝置包括一個氣缸和兩個可反向移動的活塞，兩個活塞的端部彼此相鄰限定出一個燃燒室，而兩活塞的相遠(yuǎn)離的端部與氣缸一起限定出兩個端室，壓縮裝置通過一個進(jìn)氣歧管給自由活塞裝置供應(yīng)空氣，自由活塞裝置將廢氣供給渦輪機(jī)，電子裝置被設(shè)置用來控制端室中氣體的壓力以便控制活塞的運(yùn)動。
在本申請人的挪威申請文件No.950916中公開了一種上述類型的裝置，其中的壓縮裝置由渦輪壓縮機(jī)構(gòu)成，吹洗過程中供給自由活塞裝置的燃燒室的氣體的壓力大體上等于壓縮裝置的供給壓力。操縱壓縮機(jī)的能量可以，例如由一個電動馬達(dá)提供，該電動馬達(dá)的電力由一個發(fā)電機(jī)提供，該發(fā)電機(jī)又由一個渦輪機(jī)驅(qū)動。
本發(fā)明的目的就是提供一種上述類型的動力裝置，該裝置具有高的熱效率，但是供給渦輪機(jī)的氣體的溫度相對較低。
本發(fā)明的特點(diǎn)將由權(quán)利要求書中的特征說明。
現(xiàn)將參照附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明，這些附圖示意性地示出了本發(fā)明裝置的一些實(shí)施例。


圖1示出了本發(fā)明動力裝置的第一實(shí)施例的管路布置，以及通過動力裝置的自由活塞裝置的一個縱剖面；圖2為一個類似于圖1的視圖，其示出了本發(fā)明裝置簡化了的第二實(shí)施例，其中該裝置的一些組件被移去未示；圖3示出了一個帶有一類似于圖2中所示的自由活塞裝置的動力裝置，該裝置的一些組件被移去未示。
在下文的說明敘述中，術(shù)語右、左，上和下應(yīng)當(dāng)被理解為用來表示與讀者所看到的這些圖形的相應(yīng)位置，術(shù)語上和下意思為靠近和遠(yuǎn)離附圖的最靠近讀者的邊緣的位置。
圖1包括一個貫穿自由活塞裝置或氣體發(fā)生器10的縱剖面，該自由活塞裝置或氣體發(fā)生器10包括一個氣缸2，該氣缸具有一個位于氣缸中心部分的第一氣缸部分14，和位于氣缸12兩端的第二氣缸部分16、18。
在氣缸12中可滑動地設(shè)置有一個左活塞24和一個右活塞26，它們分別具有第一端部28和30，兩端部28和30的直徑與第一缸體部分14相配合。而且每個活塞24、26具有一個活塞側(cè)部32和34。
每一個第二氣缸側(cè)部分16、18包括一個第二氣缸部分36和38，該第二氣缸部分36和38位于缸體的兩端，還包括一個第三氣缸部分40、42，該第三氣缸部分40、42位于第一氣缸部分14和第二氣缸部分36和38之間，其直徑比氣缸部分14、36、38的直徑大。在各第三氣缸部分40、42與第一氣缸部分14及其第二氣缸部分36、38之間，分別延伸有一個外部徑向缸壁60、62和一個內(nèi)部的徑向缸壁64、66。
類似地，每個活塞的側(cè)部分32、34包括一個第二活塞端部44和46，該第二活塞端部位于活塞的相互遠(yuǎn)離的兩端，還包括一個第三活塞端部48和50，該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之間。
第一氣缸部分14與活塞24、26的第一端部28、30一起限定出一個工作氣缸或一個燃燒室54。
各第二氣缸部分36、38與相應(yīng)的第二活塞端部44、46限定出一個端室或緩沖室56、58。
第三氣缸部分40、42和第三活塞部分48、50以及內(nèi)部的徑向缸壁62、66共同限定出一個第一左活塞泵和一個第一右活塞泵或第一左、右壓縮室68和70。
外部徑向缸壁60、64與第三氣缸部分40、42和第三活塞部分48、50一起分別限定出一個第二左壓縮室72和第二右壓縮室74。
靠近第一氣缸部分14的左側(cè)端，具有一個進(jìn)氣歧管80，其設(shè)置用來與燃燒室54相通，在該氣缸部分14的右側(cè)一端具有一個排氣歧管82，其同樣設(shè)置用來與燃燒室54相通。
軸向延伸的桿84、86分別與第二活塞部分44、46的軸向外端永久相連。該桿密封地通過密封裝置88和90，該密封裝置88和90與第二氣缸部分36、38的端壁92，94相接。
一個壓縮裝置96，其可以是一個渦輪壓縮機(jī)，被設(shè)置用來通過一個管道98給第一壓縮室68、70提供壓縮空氣。
管道100將第一壓縮室68、70與一個中間冷卻裝置102的入口相連，而該冷卻裝置的出口靠一個管道104與相應(yīng)的第二壓縮室72、74相連。冷卻劑可以通過管道106、108輸送給和離開中間冷卻裝置102。
一個冷卻裝置或一個中間冷卻裝置99可以被設(shè)置在管道98中。一個管道110將第二壓縮室72、74與進(jìn)氣歧管80相連。一個壓縮空氣瓶112靠一個第一閥114接到管道110上，所說的第一閾114是一個單向閥。
兩個管道116、118從壓縮空氣瓶112延伸出至第二閥120和第三閥122，接著這兩個閥又分別經(jīng)管道124和126與端室56和58相接。
從管道124、126上又分別分支出管道128和130，在它們上又相應(yīng)地設(shè)置了第四閥132，和第五閥134。
從管道118，延伸出一個分支管道136通向一個第六閥138，該第六閥138又靠一個管道140與燃燒室54的中心部分相連。從管道140上又分出一個第七閥142。
一個用于將燃料注入燃燒室54的管道144可以由一個第八閥145封閉和打開。
第四、第五和第七閥132、134和142可以影響到其所接管道與周圍環(huán)境之間的關(guān)系。
從排氣歧管82延伸出一個管道146通到一個混合容器148，該混合容器的出口與一個渦輪機(jī)150的入口相接，該渦輪機(jī)被設(shè)置用來驅(qū)動，例如，一艘船的一個推進(jìn)螺旋漿，一個發(fā)電機(jī)或類似的裝置(未示出)。
管道110，其從第二壓縮室72，74延伸出來，具有一個延伸部分152，該延伸部分延伸入一個混合室148。在該管道中，可以設(shè)置一個第八控制閥170。
桿84、86內(nèi)，軸向延伸有通孔(未示)，該通孔又與活塞24、26內(nèi)的通道(未示)相連。通過該通孔和通道，可將冷卻介質(zhì)從冷卻介質(zhì)容器154，156引入活塞，以在自由活塞裝置工作時(shí)冷卻它。
一個電子裝置160，其作為一個程序計(jì)算機(jī)或控制單元用于在設(shè)置了某個門通(gate opening)時(shí)控制動力單元，該電子裝置160靠電線162與一些傳感器(未示)相連接，以便確定某些或所有的室54、56、68、70、72、74，壓縮空氣瓶112和混合窗口148中的壓力，和這些室以及中間冷卻裝置、混合容器中的溫度，還與其它一些用于監(jiān)視裝置工作的傳感器，諸如用于確定活塞位置的傳感器相連接。后者可以與桿84、86相連接。
另外，程序計(jì)算機(jī)160與各第七閥相連，該閥可以是電磁閥型的或者可以通過極快的電動馬達(dá)來驅(qū)動，因而不僅可使該閥能在關(guān)閉和完全打開位置之間移動，而且可使其能處于這兩個位置之間的某些位置。
該動力裝置的工作如下述。
通過給程序計(jì)算機(jī)一個起動命令而自動起動的該自由活塞的起動可以采用兩種方法來完成。假定壓力容器112中已經(jīng)充滿了壓縮空氣。
在第一起動方法中，兩個活塞首先被移動到一個位置，在該位置兩個活塞彼此緊挨在一起，第二、第三和第七閥120、122和142處于打開狀態(tài)而第四、第五和第六閥132、134和138保持關(guān)閉狀態(tài)。由此，當(dāng)壓縮空氣瓶112中的壓縮空氣迫壓活塞24，26相向運(yùn)動時(shí)，位于燃燒室54中的空氣被迫通過第七閥進(jìn)入大氣。端室56、58中的壓力就會降低，并低于壓縮空氣瓶112中的空氣壓力。接著第二第三和第七閥120、122、142被關(guān)閉，而第六閥138(起動閥)被打開，因而在端室中空氣壓縮下迫使活塞彼此遠(yuǎn)離。當(dāng)活塞24、26露出排氣歧管82后，燃燒室54中的壓力急劇下降，與此同時(shí)起動閥138被關(guān)閉?；钊虼嗽诙耸?6、58中的壓縮空氣的作用下迅速相向運(yùn)動，從而燃燒室中的空氣被壓縮。當(dāng)?shù)诎碎y145(燃料閥)被打開后，燃料被噴射進(jìn)燃燒室中，端室中空氣重新被壓縮因而迫使活塞彼此遠(yuǎn)離。而后，活塞再一次相向運(yùn)動，自由活塞裝置于是繼續(xù)其工作過程。
在第二起動方法中，當(dāng)活塞已彼此遠(yuǎn)離之后，第四、第五、第六和第七閥132、134、138和142可以被關(guān)閉，同時(shí)將第二和第三閥120和122打開從而將端室中空氣的壓力減小到周圍環(huán)境空氣的壓力。活塞24、26因此被迫相向運(yùn)動，從而壓縮燃燒室中的空氣，因此燃料被噴射進(jìn)燃燒室并被點(diǎn)燃。接著，第二、第三閥120、122被關(guān)閉，端室中的壓力通過打開第四和第五閥132，134而被減小到一個合適的值，在此減小過程之后，該第四和第五閥即被關(guān)閉。當(dāng)廢氣從燃燒室釋放出，新空氣進(jìn)入其中后，端室中的壓縮空氣的推力促使活塞重新相向運(yùn)動，由此馬達(dá)的工作就自動地連續(xù)進(jìn)行下去。
在裝置先前的工作過程中，空氣壓縮瓶112已經(jīng)被以一個合適的壓力充滿了空氣，另外，該空氣壓縮瓶112也可以以一公知方式由一個標(biāo)準(zhǔn)起動壓縮機(jī)充滿空氣。當(dāng)裝置是新的或已經(jīng)被檢修過時(shí)，這是一個通常的第一次起動的方法。
當(dāng)自由活塞裝置10已經(jīng)被起動后，通過管道98，空氣從壓縮機(jī)流入第一壓縮室68，70，并且在活塞每次相向移動時(shí)被壓縮，在每個沖程中，該空氣被迫流向中間冷卻裝置的空氣入口，而該空氣的回流被一個單向閥99阻止。
當(dāng)空氣在中間冷卻裝置102中被冷卻之后，又被迫向第二壓縮室72、74流動，其中一部分空氣通向進(jìn)氣歧管80。剩下的空氣通向混合容器148。
在混合容器148中，來自第二壓縮室72、74的空氣與從自由活塞裝置來的極熱的廢氣相混合，從而使進(jìn)入渦輪機(jī)的空氣的溫度降低到一個該渦輪機(jī)能夠承受的溫度?？諝?廢氣混合物的壓力和溫度被升高，以使其具有一較高的能量。這種升高是通過在自由活塞裝置內(nèi)一個幾乎是直接的溫度-壓力轉(zhuǎn)換獲得的，因而使得這種轉(zhuǎn)換非常高效。
在動力裝置的工作過程中，程序計(jì)算機(jī)160單獨(dú)控制著閥的動作。通過第二、第三、第四和第五閥120、122、132、134可以調(diào)節(jié)端室56、58中的壓力。當(dāng)端室中的壓力處于其最低點(diǎn)時(shí)，空氣最好能進(jìn)入和流出端室中。由于是單獨(dú)控制，因此獲得了活塞的單獨(dú)控制，例如，為了獲得打開和關(guān)閉入口和出口的理想次數(shù)而進(jìn)行的活塞的單獨(dú)控制。從壓力、溫度和活塞位置傳感器傳來的脈沖與來自用于閘門開口(gate opening)或進(jìn)氣口(admission)的操縱裝置的脈沖一起提供給程序計(jì)算機(jī)160，該計(jì)算機(jī)160的運(yùn)算程序在這些脈沖的基礎(chǔ)上控制著動力裝置的工作。
在上述動力裝置中，燃燒室的壓縮比可以被調(diào)節(jié)，因而為了達(dá)到點(diǎn)燃目的可以連續(xù)地確保高的壓力。而且，活塞打開和關(guān)閉排出口和吸入口的次數(shù)也可以調(diào)節(jié)，例如，可通過端室中壓力值相對變化來調(diào)節(jié)。這可以通過對現(xiàn)在市場上有售的迅速反應(yīng)閥的電子控制來實(shí)現(xiàn)。由于活塞具有提供清除空氣壓縮的部分，因此能夠確保始終提供足夠量的清除空氣。
桿84、86的上述布置的一個優(yōu)點(diǎn)是密封裝置88、90可以比較容易地從缸體12的外部接近，而在公知的裝置中這些密封裝置被缸體12所包圍。而且，如果需要的話，可以通過桿從缸體的外部對活塞進(jìn)行機(jī)械移動。
在該裝置中，高壓氣缸，即第一氣缸部分14可以從缸體的外部自由接近。這就為燃料噴嘴、起動閥、傳感器等提供了容易接近的入口，因而有利于動力裝置的維修。
圖2示出了圖1所示動力裝置的第二個簡化的實(shí)施例，其省略了第二壓縮室。本實(shí)施例的零件與圖1所示實(shí)施例中的相應(yīng)的零件其有相同的標(biāo)號，只是另加了標(biāo)號200。
圖2包含一個縱貫自由活塞裝置或氣體發(fā)生器210的縱剖面，所說的自由活塞裝置或氣體發(fā)生器210包含一個氣缸212，其第一氣缸部分214位于氣缸212的中間部位，氣缸兩邊部分216、218分別位于缸體212的兩頭。
在缸體212中，可滑動地設(shè)有一個左側(cè)活塞224和一個右側(cè)活塞226，它們分別具有一個第一端部228和230，該第一端部的直徑適合于第一缸體部分214。而且各活塞224，226具有一個活塞側(cè)邊部分232和234。
每個第二氣缸邊側(cè)部分216、218包含一個第二氣缸部分236和238，它們位于氣缸體的兩端，還包含一個第三氣缸部分240、242，它們位于第一氣缸部分214和第二氣缸部分236和238之間，其直徑比第一缸體部分214的大。而在每個第三缸體部分240、242與第一缸體部分214之間，相應(yīng)延伸有一個徑向缸壁262和266。
同樣，各活塞側(cè)邊部分232、234分別包含一個第二活塞端部244和246，它們分別位于活塞的彼此相遠(yuǎn)離的兩端，還包括一個第三活塞部分248和250，它們分別位于活塞224和226的第一活塞端部228、244和第二活塞端部230，246之間。
第一氣缸部分214和活塞224、226的第一端部228，230一起限定了一個燃燒室254。
每一個第二缸體部分236、238與相應(yīng)的第二活塞端部244、246一起，限定出一個端室或緩沖室256、258。
徑向缸壁262、266與第三氣缸部分240、242和第三活塞部分248、250一起分別限定出一個第一左側(cè)壓縮室268，和一個第一右側(cè)壓縮室270。
因而在本實(shí)施例中，沒有設(shè)置第二壓縮室。因此不包含中間冷卻裝置。除此之外，該裝置大體上相應(yīng)于圖1中所示的裝置，零件諸如渦輪機(jī)和混合室在圖中沒有示出。應(yīng)當(dāng)理解在本發(fā)明的連接方式中，混合室被供給從自由活塞而來的廢氣和從壓縮室而來的壓縮空氣。
圖3所示為本發(fā)明動力裝置的第三實(shí)施例，其類似于圖2所示的動力裝置，只是從壓縮室368、370而來的空氣通過一個單向閥399、400供給到一個緩沖室或環(huán)狀體402中，該緩沖室和環(huán)狀體圍繞第一氣缸部分設(shè)置，并被一個殼體或罩404所包圍。環(huán)狀體內(nèi)的一部分空氣通過入口通入到工作氣缸或燃燒室中，而進(jìn)氣歧管中剩下的空氣通到一個混合室348。這些空氣對第一氣缸部分及其排氣口和排氣歧管進(jìn)行冷卻。
第一缸體部分和相關(guān)零件的冷卻也可以通過用壓縮機(jī)提供的壓縮空氣吹洗燃燒室而實(shí)現(xiàn)。然而，將空氣分割開具有優(yōu)點(diǎn)，尤其是在裝置以部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、非穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)等狀況下，更具優(yōu)勢。
在該裝置中，環(huán)狀體同時(shí)形成一個進(jìn)氣歧管。
應(yīng)當(dāng)被理解管道98中可以設(shè)置一個冷卻裝置用于冷卻從壓縮機(jī)96而來的壓縮空氣。
權(quán)利要求
1.一種動力裝置，其具有一個柴油機(jī)自由活塞裝置，一個壓縮裝置(96；296)，一個渦輪機(jī)(150)和一個電子裝置(160；360)，其中，自由活塞裝置具有一個氣缸(12；212)和兩個可反相運(yùn)動的活塞(24，26；224，226)，自由活塞的兩個彼此相鄰接的端部，與氣缸限定出一個燃燒室(54；254)，自由活塞裝置相互遠(yuǎn)離的兩個端部與氣缸(12，212)一起限定出端室(56，58；256，258)，壓縮裝置(96；296)通過一個進(jìn)氣歧管(80；404)給自由活塞裝置提供空氣，自由活塞裝置給渦輪(150)提供廢氣，電子裝置被設(shè)置用來控制端室中的空氣的壓力，以便控制活塞的運(yùn)動，其特征在于所述渦輪(150)靠一個混合室(148；348)與所述自由活塞裝置相通，并設(shè)置有管道(152，110)用于將進(jìn)氣歧管(80；404)通過閥(170，114，120，122)與混合室(148；348)和端室(56，58；256，258)相連，還設(shè)有管道(128，130)用于通過閥(132，134)將端室(56，58；256，258)與外界空氣相通，電子裝置(160；360)被設(shè)置用來控制閥通往混合室(148；348)的空氣以及通往或流出端室(56，58；256，258)的空氣。
全文摘要
一種動力裝置,其具有一個柴油機(jī)自由活塞裝置,該自由活塞裝置被供給從壓縮裝置(96)而來的空氣,該自由活塞裝置的廢氣驅(qū)動渦輪(150)。該裝置具有一個氣缸(12),氣缸內(nèi)有兩個可反相運(yùn)動的活塞(24,26),活塞之間限定出一個燃燒室(54)。氣缸端部(36,38)包括緩沖端室(56,58)。一個電子裝置(160)控制著端室(56,58;256,258)中的空氣壓力。各活塞的中間活塞部分(48,50)與相應(yīng)的氣缸部分(40,42)形成一個活塞泵室(68,70),該泵室給裝置的進(jìn)氣歧管(80)和一個混合室(148)提供壓縮空氣,廢氣和壓縮空氣通入渦輪(150)之前先在混合室中混合。電子裝置(160)也用來通過壓縮裝置、閥壓力傳感器等裝置控制壓縮室(68,70)內(nèi)空氣的壓力。
文檔編號F02B75/28GK1183133SQ96193653
公開日1998年5月27日 申請日期1996年4月30日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月2日
發(fā)明者R·克瓦姆斯達(dá)爾, M·福德 申請人:克韋爾納有限公司