專利名稱：多缸直線排列發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)的緩沖室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于壓縮氣體的自由浮動活塞式多級發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)。在某些應(yīng)用場合里，這些壓縮機(jī)被用于壓縮氣體，通過幾級壓縮，把壓縮機(jī)吸氣側(cè)的某一變化著的壓力壓縮到某一顯著變化著的排氣壓力。在一種三級壓縮機(jī)里，吸氣壓力可在15和30磅/吋2之間變化，而排氣壓力則在2000和3600磅/吋2之間變化，這就要求壓縮機(jī)以低至67∶1到高至240∶1的壓縮比工作。這可使發(fā)動機(jī)部分和壓縮機(jī)部分之間的能量平衡和發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)機(jī)組的動力沖程和返回沖程之間的功平衡產(chǎn)生了明顯的差額。
平衡這些能量和功的問題是相當(dāng)頭痛的，因為在變化的進(jìn)、排氣壓力下在第一級壓縮機(jī)上所作的壓縮功可按顯著不同于第二級和任何隨后級的變化率來變化。
除了這些特殊的問題之外，還有多級壓縮機(jī)的基本問題，不管它們是屬于自由振蕩活塞式或是屬于驅(qū)動曲軸式，都有通過壓縮機(jī)活塞端面的配置來使最大氣體壓力保持最小的問題。在曲軸驅(qū)動式壓縮機(jī)內(nèi)，一級或多級壓縮機(jī)的活塞端面積通常被等分為二部分，活塞端面和它們相應(yīng)的最大壓力的乘積的矢量和被配置成零以使機(jī)器的最大應(yīng)力和最大軸承負(fù)荷保持最小。在自由浮動活塞式壓縮機(jī)內(nèi)，各種力和在活塞上或通過活塞所作的功的平衡可能比它們的絕對值更重要，其中給定的功平衡受各別活塞端面的選擇和位置的影響。這在該種機(jī)器的緩沖室內(nèi)可能會產(chǎn)生過大的壓力，要不要求多于一個緩沖室，或者甚至要求多于一個發(fā)動機(jī)/壓縮機(jī)活塞組件，使這種發(fā)動機(jī)/壓縮機(jī)在其整個的壓力和負(fù)荷范圍內(nèi)，并且最好用多種不同的氣體滿意的運(yùn)轉(zhuǎn)。
已經(jīng)提出了許多種不同的解決方案來處理這些復(fù)雜的問題。例如在美國專利第2，241，957號中，提出設(shè)置二個分離的相對運(yùn)動的內(nèi)燃機(jī)或發(fā)動機(jī)活塞組件，其中一個裝有一個蓄能器或平衡活塞，而另一個裝有全部壓縮機(jī)活塞，它們的非作用面(背面)中至少一個承受高于大氣壓的壓力，它們的非作用面作為輔助的蓄能器，每一蓄能器為其相應(yīng)的壓縮機(jī)部分提供平衡功。
本發(fā)明的主要目的是要提供一種緊湊堅固的多級發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)，使其部件數(shù)量最少并適于在整個寬廣的運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，并適合許多不同的應(yīng)用場合而無須改變其主要部件。在這種壓縮機(jī)內(nèi)僅需要一個發(fā)動機(jī)活塞。
本發(fā)明更為特殊的目的是要提供一種自由活塞式多級發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)，它需要少量的部件，尺寸較平常為小，并在顯著改變進(jìn)、排氣壓力和壓力比的情況下，適于使發(fā)動機(jī)或動力部分保持接近最佳運(yùn)轉(zhuǎn)工況。
本發(fā)明的另一個目的是要提供一種發(fā)動機(jī)，使其在部分負(fù)荷工況下接近最佳工況運(yùn)轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的再一個目的是要提供一種壓縮機(jī)，它不要求一種窄的活塞外形和氣缸結(jié)構(gòu)以滿足各種工況或應(yīng)用場合，但只要求稍微改變控制元件，諸如小控制活塞和/或彈簧的直徑。
在閱讀本發(fā)明優(yōu)先實施例的下例論述時，本發(fā)明的上述和其它的目的會變得更為明顯。


圖1是本發(fā)明的簡略的外觀;
圖2至圖6是發(fā)動機(jī)部分，緩沖室部分、第一壓縮部分、第二壓縮部分和第三壓縮部分的壓力-沖程圖;
圖7是連于負(fù)緩沖室的控制裝置的放大視圖。
為要達(dá)到本發(fā)明的主要目的，設(shè)置了殼體和單體往復(fù)運(yùn)動活塞組件2，其上裝置著發(fā)動機(jī)或動力活塞3，通過活塞桿4、活塞3和階梯活塞式單體壓縮機(jī)活塞組件5直接相互連接。
在本發(fā)明的優(yōu)先實施例中，階梯活塞壓縮機(jī)的整個壓縮機(jī)級是單作用的，并且在同一方向上作用，壓縮機(jī)活塞組件的唯一起作用的背面是處于唯一的蓄能器或緩沖器部分內(nèi)，并且最好是第一級壓縮機(jī)活塞的背面。在動力和返回沖程內(nèi)，它按相反方向作用，以形成功平衡，為使發(fā)動機(jī)或動力部分處于或接近其最佳運(yùn)轉(zhuǎn)工況運(yùn)轉(zhuǎn)，這是必要的。
在圖1中，簡略地表示一臺三級發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)的優(yōu)先實施例。在圖2至圖6中，表示了相應(yīng)于發(fā)動機(jī)部分、緩沖器和3個壓縮級的壓力-沖程圖，用它們的相應(yīng)的曲線下面的面積來代表動力和回返行程內(nèi)每一部分的相對功，出于清晰起見，已經(jīng)忽視了摩擦功和帚氣功。返回行程期間各部分的功是用虛線下面的面積來表示的，而動力沖程期間各部分的功是用實踐下面的面積表示的。為了按希望那樣操作發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)，發(fā)動機(jī)或動力部分必須以某一壓縮比工作，這取決于左方座標(biāo)的位置，右方座標(biāo)是由所希望噴入發(fā)動機(jī)的燃料輸入量和壓縮機(jī)的進(jìn)、排氣壓力所決定的。動力和返回行程相同是通過在平衡或緩沖部分提供適當(dāng)?shù)膲毫磉_(dá)到，在動力和回返行程內(nèi)，其絕對功基本相等。
在活塞組件回程期間，這一合適的緩沖壓力必然使圖3曲線圖上實線下面的面積等于4、5、6曲線圖上虛線下面的面積總和與圖2的虛線下面的面積之差。同樣，處于活塞組件的動力沖程期間，和處于發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，在圖3中緩沖室壓力圖的實線下面的同樣的面積必將等于圖2曲線圖的實線下面的面積與圖4、5、6中曲線圖的實線下面的面積總和之差。
考慮到不同的氣體，不同的進(jìn)、排氣壓力值和壓力比以及部分負(fù)荷要求，以及不同的發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)的級數(shù)，可以用不同的方式，從不同的部分，或者甚至從大氣中供給一適當(dāng)?shù)木彌_室壓力。同樣，為了獲得最理想的結(jié)果，可選擇相應(yīng)的活塞直徑和壓縮機(jī)余隙容積，以便取得最理想的總特性。
一種這樣的發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)示于本發(fā)明的附圖中，本發(fā)明的發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)用于把自然氣體由變化于15-30絕對壓力磅/吋2(Psia)的進(jìn)氣壓力壓縮到變化于2000-3600絕對壓力磅/吋2(Psia)的排氣壓力，作為對壓縮自然氣體(CNG)的氣缸充氣，用于靠自然氣體作為燃燒劑運(yùn)行的車輛，使這種發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)在上述整個壓力范圍內(nèi)，以基本上相等的和最佳的發(fā)動機(jī)壓縮比運(yùn)轉(zhuǎn)，并使緩沖室中的最大緩沖室壓力保持在和第一級充氣壓力非常接近的范圍內(nèi)，這是可能的，這是一種類似于雙作用壓縮機(jī)級中的工況的有效工況。這些理想的結(jié)果是用圖1和圖7中比較簡單的控制系統(tǒng)來獲得的，其中來自第一級排氣側(cè)的少量氣體控制流經(jīng)一導(dǎo)管或通道6，經(jīng)量孔7和單的閥8流入負(fù)壓緩沖室9，通過控制裝置10在緩沖室內(nèi)保持其最大壓力，該控制裝置10由來自氣體壓力源的氣體操作，例如，若愿意的話，從第二級的排氣側(cè)經(jīng)導(dǎo)管11可把多余的控制氣體泄到大氣，或排入吸氣或進(jìn)氣管路或?qū)Ч艿角皇?d。閥10A響應(yīng)緩沖室9內(nèi)的壓力和管路11與14內(nèi)的第二壓縮級的排氣壓力之間的壓差，緩沖室中的壓力，隨管路11內(nèi)的壓力提高而提高，隨管路11內(nèi)的壓力降低而降低。
在運(yùn)轉(zhuǎn)中，當(dāng)發(fā)動機(jī)把活塞3驅(qū)動到圖1中所示的右方位置時，活塞5a迫使氣體從腔室5d經(jīng)輸出單向閥、管路6、量孔件7和單向閥8進(jìn)入緩沖室9，同時通過一支路12、氣體冷卻器13和進(jìn)氣單向閥進(jìn)入第二級壓縮室5e。與此同時，氣體從腔室5e，經(jīng)輸出單向閥，管路11被驅(qū)入到控制裝置10。在圖7中該控制裝置10具有一閥10a，該閥根據(jù)第二級排氣壓力自動地限定負(fù)壓緩沖室9中的最大壓力，因此當(dāng)?shù)诙墘毫μ岣邥r，便提高負(fù)壓緩沖室的壓力。當(dāng)?shù)诙墘毫档蜁r便降低負(fù)壓緩沖室的壓力。兩彈簧10d和10c可以調(diào)整，以使該裝置增大或縮小壓縮機(jī)內(nèi)壓力平衡的偏置。同時，氣體自腔室5e經(jīng)支路14和氣體冷卻器15流到第三級壓縮室5f。
按照本發(fā)明制造的一臺3級發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)樣機(jī)的正常流量在每分鐘僅約1000循環(huán)的安全速度下處于20至35每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方呎數(shù)，取決于發(fā)動機(jī)是采用汽化呢還是燃料噴射，機(jī)器的尺寸是18″×20″×80″，其重量大致600-700磅。壓縮機(jī)壓縮自然氣體的能量消耗比最廣泛應(yīng)用的和商用的機(jī)組低30%，其價格相當(dāng)?shù)汀？杀容^的僅單級型的自由活塞發(fā)動機(jī)顯然要復(fù)雜得多，重量至少大3倍，并且制造費(fèi)用要高得多。一臺這種型式的3級壓縮機(jī)其重量和價格將要高得多。
雖然上述本發(fā)明已通過試驗被證實是一種實用、結(jié)實，價廉和效益好的壓縮機(jī)，然而應(yīng)當(dāng)充分理解到，部件的結(jié)構(gòu)、配置和形式可以改變而不違反包含在附加的權(quán)利要求范圍內(nèi)的原理。尤其是，該發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)可裝備例如在我的美國專利3，853，100號中闡明的并在該專利的圖3中采用的一種平衡機(jī)構(gòu)，或可包括其它的元件，而不違背本發(fā)明的精神。
權(quán)利要求
1.一種用于驅(qū)動多級壓縮機(jī)的自由活塞內(nèi)燃機(jī)的緩沖室組合體，其中包括許多共軸的壓縮機(jī)活塞，它們處于許多壓縮機(jī)汽缸內(nèi)，從而至少形成了第一和第二級氣體壓力腔；包括形成一種被控制和限制而恒定氣流的裝置，該氣流在某一汽缸中從某個壓力腔流到負(fù)壓緩沖腔；包括一個處于由壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不同氣體壓力源間的氣流通道；還包括各種控制裝置，根據(jù)不同氣體壓力源中的壓力變化來可變地控制緩沖室外的氣流。
2.按權(quán)利要求1規(guī)定的一種緩沖室組合體，其中該控制裝置還可變地響應(yīng)所述緩沖室中的變化壓力。
3.按權(quán)利要求1或2規(guī)定的一種緩沖室組合體，其中所述緩沖室處于和第一級壓力腔相反的第一級壓縮機(jī)活塞的一方。
4.按上述任一項權(quán)利要求中所規(guī)定的一種緩沖室組合體，其中所述壓縮機(jī)具有多于2級的壓縮機(jī)腔室和活塞。
5.按上述任一權(quán)利要求所規(guī)定的一種緩沖室組合體，其中所有壓縮機(jī)活塞直接連接于發(fā)動機(jī)中的活塞。
6.按權(quán)利要求4或5所規(guī)定的一種緩沖室組合體，其中所述氣體壓力源是其它的或輔助的壓縮機(jī)壓力腔的氣體壓力源。
7.按上述任一權(quán)利要求所規(guī)定的一種緩沖室組合體，其中所述控制裝置是一種閥，該閥載有彈簧偏壓和來自氣體源的氣體壓力方向相反。
8.按上述任一權(quán)利要求所規(guī)定的一種緩沖室組合件，其中有一個來自緩沖腔的泄流管路，受上述控制裝置控制，而所述發(fā)動機(jī)是單動力沖程發(fā)動機(jī)。
9.按上述任一權(quán)利要求所規(guī)定的一種緩沖腔組合件，其中只有一個緩沖腔。
10.在一種能連接于一動力源的多級壓縮機(jī)內(nèi)，包括一活塞桿，它的一端將壓縮機(jī)連接于動力源，它的另一端連接于一階梯活塞，該階梯活塞至少包括三個不同直徑的活塞部分，而至少其中的二個活塞是單面加工的活塞，并且僅僅最大直徑的活塞是雙面加工的，其中所有單面加工活塞和雙面加工活塞的一面被用作單作用壓縮機(jī)活塞，而雙面加工活塞的另一面被用作緩沖腔活塞端面;還包括在雙面加工活塞相對兩端的氣體腔間形成一個可控的，恒定的和限定的氣流連通裝置;還包括用以控制在具有所述另一端面的腔室外部的氣流的裝置。
11.按權(quán)利要求10所規(guī)定的組件，其中所有壓縮機(jī)級在所述動力源的單動力沖程期內(nèi)將完成其壓縮和排氣功。
全文摘要
本發(fā)明是一種多級壓縮機(jī)，在一階梯形氣缸內(nèi)裝有一階梯活塞，通過一共軸連桿連接于發(fā)動機(jī)的活塞。在一通道或?qū)Ч軆?nèi)的控制裝置從壓縮機(jī)的第2或第3級排氣源或任何其它壓力源延伸到單個緩沖腔，對緩沖腔的壓力產(chǎn)生響應(yīng)，以提高或降低所述腔內(nèi)的氣體壓力，以平衡作用于相反方向的能量和功，為壓縮機(jī)在各種變化壓力下提供最佳運(yùn)轉(zhuǎn)。
文檔編號F04B3/00GK1030813SQ8710496
公開日1989年2月1日 申請日期1987年7月18日 優(yōu)先權(quán)日1987年7月18日
發(fā)明者安東·布朗 申請人:安東·布朗