專利名稱：全控制的自由活塞式發(fā)動機(jī)的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及把化學(xué)能(燃料)轉(zhuǎn)換成液、電或氣動能量。本發(fā)明的總的應(yīng)用領(lǐng)域是有效地產(chǎn)生液、電或氣壓動力以供移動或非移動的動力的需要。
已有技術(shù)目前，液壓動力是由一驅(qū)動馬達(dá)、通常是通過一電動機(jī)或一內(nèi)燃發(fā)動機(jī)使液壓泵的驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。從旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的動力必須轉(zhuǎn)換成直線或線性運(yùn)動以驅(qū)動作為最有效的液壓泵的泵送裝置的往復(fù)式活塞。當(dāng)一往復(fù)式活塞泵被一傳統(tǒng)的曲軸式內(nèi)燃發(fā)動機(jī)所驅(qū)動時，在內(nèi)燃發(fā)動機(jī)內(nèi)的活塞被燃燒氣體的膨脹所驅(qū)動而作線性運(yùn)動，而活塞又通過桿而連到一曲軸上以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的動力輸出。此旋轉(zhuǎn)的動力輸出再被連接到一活塞泵的驅(qū)動軸上，由此產(chǎn)生泵送活塞的線性運(yùn)動從而產(chǎn)生液壓動力。
一種把發(fā)動機(jī)燃燒活塞直接(通常是軸向)耦合到液壓活塞以從燃燒活塞的線性運(yùn)動直接產(chǎn)生液壓動力以避免把線性運(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動然后再把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)回成線性運(yùn)動的設(shè)想人們早已提了出來，然而對已有技術(shù)設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)的種種困難都沒有使這種基本設(shè)想在商業(yè)上獲得成功。
把燃燒活塞連接到液壓活塞可以不必使用發(fā)動機(jī)曲軸，并且在這樣做時形成了自由式活塞組件。因為此活塞組件不與裝置機(jī)械相連，該裝置因而可用于控制自由活塞組件的運(yùn)動，所以實(shí)現(xiàn)這種自由活塞式發(fā)動機(jī)的設(shè)想的一個主要困難在于當(dāng)在壓縮沖程中自由活塞接近燃燒活塞的上止點(diǎn)(TDC)位置時，如何準(zhǔn)確地千百萬次可重復(fù)地控制組件的停止位置。要使燃燒發(fā)動機(jī)成高效率的，控制壓縮程度(即壓縮比)是非常關(guān)鍵的，并且有效燃燒過程的高壓縮比需要把燃燒活塞停止在非常接近燃燒室(通常是發(fā)動機(jī)“頭”)的相對端的位置而這種非常接近往往是在1毫米以內(nèi)。另一個類似的難點(diǎn)是在膨脹或工作沖程中當(dāng)組件接近下死點(diǎn)(BDC)位置時，如何控制組件停止在準(zhǔn)確位置。尤其是在升溫(預(yù)熱)或瞬間操作時，每一沖程的摩擦都可能是不相同的。此外，為每次燃燒作用所提供的燃料數(shù)量、燃燒過程的開始、燃燒率以及它的結(jié)束，提供給泵的工作液、被排出的工作液壓力，以及許多其他可以影響每一沖程的操作參數(shù)可能都是不相同的；因此準(zhǔn)確控制TDC及BDC位置是非常困難的?？刂撇蛔愕暮蠊赡苓_(dá)到性能不能接受的程度，并且如果燃燒活塞接觸燃燒室的相對端或者如果泵送活塞接觸泵送室的相對端，則結(jié)果對發(fā)動機(jī)將是具有破壞性的。
由于操作控制的困難，已有技術(shù)的自由泵發(fā)動機(jī)是工作于兩沖程循環(huán)的(有一個例外將在下面敘述)。即使采用兩沖程循環(huán)，在壓縮沖程中，在TDC時燃燒活塞要停止在正確的位置仍然是非常困難的。如果發(fā)動機(jī)工作于四沖程循環(huán)，就需要另外一個TDC沖程以排出已燃燒過的氣體。和壓縮沖程不一樣，在此排氣沖程中，當(dāng)燃燒沖程移向TDC時，沒有被截留的氣體來增加壓力，從而使活塞組件的速度變慢，為了使活塞組件不碰撞或沖擊，要使用其他的辦法。
要使組件移動通過兩個另加的沖程，還需要其他的裝置。與本發(fā)明相比較，已有技術(shù)在設(shè)計上的問題和缺點(diǎn)將會一清二楚。
有幾份信息性的技術(shù)論文，號碼為921740，941776，960032的汽車工程師協(xié)會(SAE)論文以及其中列出的參考文獻(xiàn)，這些論文和文獻(xiàn)提供了對種種自由活塞式發(fā)動機(jī)概念的綜述及分析。還有幾個可以認(rèn)為與本發(fā)明有關(guān)的美國的自由活塞液壓泵以及與之相關(guān)的技術(shù)專利一一列舉如下U.S.4,087,205Heintz自由活塞式發(fā)動機(jī)泵單元。
U.S.4,369,021Heintz自由活塞式發(fā)動機(jī)泵。
U.S.4,410,304Bergloff等人自由活塞泵。
U.S.4,435,133Meulendyk具有平滑能量率的自由活塞發(fā)動機(jī)泵。
U.S.3,841,707Fitzgerald動力單元。
U.S.6,152,091Bailey等人操縱自由活塞內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)的方法。
U.S.6,983,638Achten等人液壓開關(guān)閥及其中的自由活塞式發(fā)動機(jī)。
U.S.5,829,393Achten等人自由活塞式發(fā)動機(jī)。
U.S.4,891,941Heintz自由活塞式發(fā)動機(jī)—泵推進(jìn)系統(tǒng)。
U.S.4,791,786Stuyvenberg具有液壓或氣壓能量傳動的自由活塞式發(fā)動機(jī)。
U.S.4,382,748Vanderlaan相對置的活塞型自由活塞式發(fā)動機(jī)泵單元。
U.S.6,029,216Mayne等人自由活塞式發(fā)動機(jī)。
U.S.5,556,262Achten等人具有流體能量單元的自由活塞式發(fā)動機(jī)。
U.S.5,261,797Christenson內(nèi)燃發(fā)動機(jī)/流體泵的結(jié)合。
U.S.4,415,313Bouthors等人具有自由活塞式發(fā)動機(jī)的水輪發(fā)電機(jī)。
還有一個揭示在美國專利5,611,300(圖6～凸8及權(quán)項11～12)中的自由活塞液壓—泵發(fā)動機(jī)，它可以工作在兩沖程或四沖程循環(huán)。此發(fā)動機(jī)在四沖程循環(huán)中，它使用一傳統(tǒng)的曲軸和燃燒活塞以吸入和壓縮空氣以及排出燃燒過的氣體。
已有技術(shù)設(shè)計的自由活塞式發(fā)動機(jī)一般分為單活塞、對置活塞或雙活塞兩類。本發(fā)明屬于雙活塞結(jié)構(gòu)。和已有技術(shù)自由活塞式發(fā)動機(jī)一樣，本發(fā)明使用燃燒活塞的沖程以直接提供液壓、氣壓或電能。然而，為了便于敘述本發(fā)明的基本特點(diǎn)起見，下面只描述液壓能量的產(chǎn)生。
各種已有技術(shù)自由活塞式發(fā)動機(jī)設(shè)計所遇到的其他困難包括(1)難于實(shí)現(xiàn)機(jī)械平衡。自由活塞組件的每一個沖程(行程)都發(fā)送一個加速及一個減速力給發(fā)動機(jī)殼體并且給發(fā)動機(jī)安裝于其上的結(jié)構(gòu)，除非加速和減速力在發(fā)動機(jī)內(nèi)能彼此平衡掉。對置活塞發(fā)動機(jī)設(shè)計的支持者通常強(qiáng)調(diào)此系統(tǒng)有好的平衡的可能性而把它看作一個主要的優(yōu)點(diǎn)。但由于正確地控制每一自由活塞的運(yùn)動非常困難，因為使這種可能性在實(shí)際工作中很難實(shí)現(xiàn)。
(2)正確控制燃料引入的時間和數(shù)量。這一困難主要與上述控制活塞組件的運(yùn)動有關(guān)，但如果能消除這一敏感性困擾那將是大大有利的。
(3)它使用兩沖程循環(huán)。目前，在美國市場上沒有兩沖程循環(huán)汽車發(fā)動機(jī)出售。這是因為非常難以控制從這種兩沖程汽車發(fā)動機(jī)發(fā)出的污染空氣的排放物。此困難也是兩沖程循環(huán)自由活塞式發(fā)動機(jī)的困難。
(4)難以提供范圍較寬的功率輸出。任何類型的自由活塞式發(fā)動機(jī)都存在一固定頻率(類似于質(zhì)量—彈簧阻尼器)并且難以變化此速度。此固有頻率主要受活塞組件的重量及沖程長度的影響。重量值較小及沖程較短能使固有頻率增加，但大大增加速度，特別是在膨脹或工作沖程的早期部分。在此區(qū)域內(nèi)的增加了的速度使燃燒不能完全進(jìn)行，降低了泵送活塞的液壓效率。為了增加頻率從而增加功率系數(shù)，大多數(shù)已有技術(shù)的自由活塞式發(fā)動機(jī)致力于使重量最小化從而帶來了燃燒和效率的降低或惡化。為了改變功率輸出，已有技術(shù)教導(dǎo)人們使用間歇或斷續(xù)運(yùn)行。在每一循環(huán)以后運(yùn)行可以暫停，因此改變暫停時間可以改變平均功率的輸出。然而，每一循環(huán)的時間是由高的固有頻率所固定的，因此發(fā)動機(jī)仍遇到前述的效率的降低。
(5)難以響應(yīng)變化的高壓級。其中自由活塞式發(fā)動機(jī)有可能在大多數(shù)液壓系統(tǒng)的高壓級，例如從2000-5000psi的一個寬的范圍時是受歡迎的。而許多自由活塞式發(fā)動機(jī)運(yùn)行在一固定的高壓上，因此應(yīng)用受到限制。有些需要改變?nèi)剂瞎┙o級或量來響應(yīng)變化的壓力。例如在5000psi發(fā)動機(jī)燃料消耗水平(每一循環(huán))將是最大的，而在較低壓力時燃料將比例降低。這種方法的一個明顯的問題是液壓的功率輸出隨著壓力而下降，例如在2500psi時，可能只供應(yīng)最大功率的一半。此外，如果系統(tǒng)壓力下降，通常需要增加(不是降低)功率。有人建議使用眾所周知的泵送流“旁通系統(tǒng)”(見Beachley及Fronczak在SAE上的論文921740)或者采用另一個名稱“在所屬返回行程，在一時間選定的點(diǎn)，把一個液壓儲蓄器與所屬壓力室相連接以達(dá)到所述輸出工作壓力”(美國專利6,152,091)或者采用另外的一個名稱“調(diào)節(jié)有效活塞沖程”(美國專利6,814,405，Octrooiraad Nederland)。液壓泵送室的大小選擇得即使在預(yù)期最低壓力(例如2000psi)下，當(dāng)液壓流通過不大于泵送活塞的全行程時仍可以送出最大的燃燒能量。在較高壓力時，一個閥將把初始流旁路回到低壓系統(tǒng)，在需要余下(剩余)的沖程將滿燃燒能量傳送給高壓液壓系統(tǒng)時在工作沖程的一個位置關(guān)閉此閥。理論上說，不管系統(tǒng)高壓大小如何，這種方法可以讓發(fā)動機(jī)工作在最佳狀態(tài)。旁路流動系統(tǒng)還用在幾個商業(yè)性的非自由活塞式發(fā)動機(jī)液壓系統(tǒng)，例如柴油發(fā)動機(jī)燃料注入泵及某些可變位移“止回閥”液壓泵(例如，Dynex泵)中。例如，在柴油發(fā)動機(jī)燃料注入泵中，當(dāng)活塞在活塞室中從TDC移動到BDC時，一活塞室從燃料箱通過一止回閥注入低壓柴油(非常像自由活塞式發(fā)動機(jī)活塞室所用的方法)。然后，當(dāng)活塞從BDC向TDC返回時，一“溢流閥”可以讓燃料旁路該高壓止回閥出口到注入器并返回到燃料箱中。根據(jù)轉(zhuǎn)矩的要求(即，注射所需要的燃料量)，旁流閥將在適當(dāng)?shù)臎_程位置關(guān)閉以把所需的燃料通過高壓止回閥送至注入器。在自由活塞式發(fā)動機(jī)中這種改變泵送活塞的有效沖程的方法在商業(yè)上未獲成功的原因是因為它產(chǎn)生了令人不能接受的效率的損失。對于自由活塞式發(fā)動機(jī)，旁路流率是循環(huán)中的最高流率。這是因為燃燒氣體的膨脹把往復(fù)物質(zhì)或重量加速到了最高的速度，對流動的阻力很小，活塞的速度處于最大。在旁路關(guān)閉后，泵送工作使組件減速。為了使這個高流率提供很小的阻力，旁路閥必須很大。如果旁流閥太小，液流壓力的損失會浪費(fèi)掉可用的或潛在的液壓功率從而大大地降低效率。另一方面，大的旁路閥的重量較重，對于一個給定的關(guān)閉力來說，它將關(guān)閉得很慢，在關(guān)閉期間，高流量率受到一逐漸上升的壓力降，從而浪費(fèi)了有用的液壓功率。采用此方法的現(xiàn)行系統(tǒng)就遭受到這種損失。對于柴油發(fā)動機(jī)燃料注入的例子來說，具有此柴油燃料流率的功率相對于柴油發(fā)動機(jī)的功率輸出(或相對與同樣功率的自由活塞式發(fā)動機(jī)應(yīng)該的、流率的功率)是如此之低，以致某些效率損失對柴油發(fā)動機(jī)的效率來說只有較小的影響。盡管如此，但還有許多研究工作要做。類似地，可變位移止回閥液壓泵比其他改變液壓泵中位移的方法效率要低得多，但是因為它們比較簡單，并且成本相對較低，它們還是在商業(yè)上獲得了一些成功。對為了使自由活塞式發(fā)動機(jī)在使用旁流閥方法中獲得成功，它必須在運(yùn)行中具有最小的開流或敞流損失，能夠根據(jù)指令精確地并且可反復(fù)地關(guān)閉，并且最重要的是，必須非?？焖佟?br> 已有技術(shù)自由活塞式發(fā)動機(jī)的雙活塞結(jié)構(gòu)包含一對對置的動力或作功活塞，它們是固定并在內(nèi)部相互連接的。每一動力活塞有一個通過一連接桿軸向連接的液壓泵送活塞。

圖1示出了已有技術(shù)雙活塞結(jié)構(gòu)的自由活塞組件。對置的燃燒活塞2及3在燃燒缸(圖中未畫出)中滑動。燃燒活塞2及3各自具有向內(nèi)設(shè)置的泵送活塞4及5，它們在泵送缸體6及7內(nèi)滑動。該泵送活塞4及5由連接桿9通過密封塊8而固定地內(nèi)部連接在一起。從而燃燒活塞2及3、泵送活塞4及5以及連接桿9作為一個單元在一起作往復(fù)運(yùn)動。同軸地并因此內(nèi)部地把一對單個單元自由活塞組件連接起來以形成一雙活塞組件會引起或出現(xiàn)幾個問題(1)由于采用了具有一定長度的密封塊8，自由活塞組件必須較長。
(2)在密封塊8內(nèi)必須設(shè)置高壓工作液密封(或成對密封件)，這不但增加了成本，而且增加了摩擦，大大降低了總的效率。任何密封的泄漏也會降低總效率。
(3)兩組三個同心及同軸汽缸/氣缸是難以制造得要精密公差的，同樣，要把兩組三個同心及同軸活塞/連接件制造得有精密公差也是十分困難的。此外，一方面要在活塞組件能在缸體套中往復(fù)運(yùn)動而不發(fā)生咬合現(xiàn)象，另一方面要求大的間隙(公隙)而不產(chǎn)生高的泄漏的情況下，要使容差的累計達(dá)到最小是極端困難的。
(4)泵送活塞的直徑必須大于沒有連接件時的直徑以維持一必需的活塞泵送面積。較大直徑的泵送活塞產(chǎn)生較大的摩擦及泄漏。而連接件的直徑必須較大，因為它必須傳送加速及減速相對側(cè)的單個自由活塞重量所必需的力，而這就是說在泵送活塞直徑上還要相對再增大些。
(5)組件的結(jié)構(gòu)不足以剛性地進(jìn)行可接受的無環(huán)燃燒，這將在下文中加以敘述。
(6)雙活塞組件在機(jī)械結(jié)構(gòu)上不平衡。
本發(fā)明概述因此，本發(fā)明的一個目的是為自由活塞式發(fā)動機(jī)中的燃燒活塞及泵送活塞提供諸停止位置，這些位置能為燃燒活塞提供合適的上止點(diǎn)(TDC)位置。
本發(fā)明的另一個目的是提供一在機(jī)械上平衡的自由活塞式發(fā)動機(jī)。
本發(fā)明的又一個目的是提供一重量平衡(重平衡)的自由活塞式發(fā)動機(jī)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一可以在寬的目標(biāo)壓縮比范圍內(nèi)運(yùn)行的自由活塞式發(fā)動機(jī)。
本發(fā)明的又一個目的是提供一足夠牢固、可以允許可接受的無環(huán)燃燒的自由活塞式發(fā)動機(jī)組件。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明提供一自由活塞式發(fā)動機(jī)，它包括至少一雙活塞組件，此雙活塞組件具有一對軸向相對設(shè)置的燃汽缸，在每一燃汽缸內(nèi)含有一自由浮動的燃燒活塞，它響應(yīng)燃汽缸內(nèi)的燃燒作往復(fù)的線性(直線)運(yùn)動。每一燃燒活塞上至少有一個泵送活塞從該燃燒活塞上延伸并固定在每一燃燒活塞上。每一泵送活塞置于其位置固定在該成對的燃汽缸之間的液壓缸內(nèi)。一籠形結(jié)構(gòu)牢固地把燃燒活塞連接在一起并且圍繞液壓缸及泵送活塞。和現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)設(shè)計一樣，每一液壓缸中的入口(孔)可以進(jìn)入第一壓力的液流體和可以排出壓力高于入口的流體。
該液壓缸可以被牢固地連接起來，而燃燒活塞可以牢固地通過籠形結(jié)構(gòu)連接，當(dāng)燃燒活塞之一處于上止點(diǎn)(TDC)時，另一燃燒活塞則處于下死點(diǎn)(BDC)。
本發(fā)明的發(fā)動機(jī)還包括一圍繞和引導(dǎo)一放入燃燒活塞及泵送活塞之間的連接件的套管并把一燃燒活塞與一泵送活塞相連以允許使用無環(huán)燃燒活塞。
本發(fā)明的發(fā)動機(jī)是用計算機(jī)控制的，其中在連接成對設(shè)置的活塞的每一籠形結(jié)構(gòu)上提供了位置指示器，用于讀出位置指示器的位置檢測器和測定籠形結(jié)構(gòu)的位置、速度、加速度等以及控制閥的動作以在提供目標(biāo)壓縮比的TDC及BDC位停止雙活塞組件的運(yùn)動的電子控制單元(ECU)。
在本發(fā)明的一個較佳實(shí)施例中，發(fā)動機(jī)包括了至少兩個雙活塞組件以及一用于使所述雙活塞組件在相對方向進(jìn)行同步平行運(yùn)動的、連接籠形結(jié)構(gòu)的同步器。該同步器可以是每一籠形結(jié)構(gòu)上的齒條和在位于齒條之間的、被齒條嚙合的齒輪的組合，一鏈/鏈輪組件或其他類似的裝置。
在另一方面，本發(fā)明提供了一種操縱如上所述的具有至少一個雙活塞組件的自由活塞式發(fā)動機(jī)的方法。該方法涉及當(dāng)泵送活塞從TDC向BDC運(yùn)動時通過一低壓吸入閥把低壓流體吸入液壓缸并在泵送活塞從TDC到BDC運(yùn)動時以排出高壓流體。在活塞組件上的位置指示器被讀出以產(chǎn)生位置信號，并且，在此位置信號的基礎(chǔ)上，ECU決定提供一目標(biāo)壓縮比的雙活塞組件的停止位置。該ECU產(chǎn)生一指令信號關(guān)閉在循環(huán)中的低壓流體吸入閥以使該雙活塞組件停止在決定的停止位置從而實(shí)時地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)壓縮比。
決定停止位置時允許低壓流體吸入閥保持打開一直到完成液壓缸的流體注入結(jié)束為止，并且在把液壓缸中的注入容積的20％～100％(不工作)之間排放回到底壓期間關(guān)閉低壓流體閥，具有的百分比值主要決定于發(fā)動機(jī)的負(fù)荷及系統(tǒng)的高壓。在決定關(guān)閉吸入閥的指令信號時，ECU也可以利用代表液壓缸的一個或一個以上的低(入口)及高(出口)的信號。決定關(guān)閉吸入閥的目標(biāo)為止的一個方法涉及到?jīng)Q定在一給定循環(huán)中一次燃燒作用作為一雙活塞組件的速度及加速度的函數(shù)所產(chǎn)生的能量。
較佳的是，本發(fā)明的方法還包括一確保安全的特點(diǎn)，即在發(fā)動機(jī)工作參數(shù)諸如燃料供應(yīng)率及一個或一個以上液壓汽缸的高(輸出)壓力的基礎(chǔ)上決定低壓流體吸入閥的關(guān)閉位置的一個范圍。在此較佳實(shí)施例中，當(dāng)被檢測到的停止位置在該規(guī)定范圍以外時發(fā)動機(jī)才被關(guān)閉。
本發(fā)明的自由活塞還包括至少一個流體吸入閥以控制流體進(jìn)入(注射入)液壓缸中的一個。在一較佳實(shí)施例中，該流體吸入閥是一個快速動作閥，此作用或工作閥揭示在本發(fā)明申請人的已有技術(shù)U.S.專利6,170,524中。此專利援引在此供參考。在另一個較佳實(shí)施例中，流體吸入包括一閥件，該閥件具有一周邊密封表面及相對的凹凸表面的杯狀頭及一從凸形表面延伸出來的引導(dǎo)桿。此吸入閥的較佳實(shí)施例還包括一引導(dǎo)件，此引導(dǎo)件具有一軸向孔以容納閥件的引導(dǎo)桿及提供相對于它的、在開閉位置之間的引導(dǎo)件的軸向往復(fù)運(yùn)動。還包括一彈簧以將此閥件向關(guān)閉位置偏置，在此位置，此杯狀頭的密封表面抵著(密封著)一閥座。該閥座圍繞著與液壓缸之一流體連通的軸向延伸的口部?！鶑?fù)銷同軸地安裝在該口內(nèi)以在縮進(jìn)(退進(jìn))位置和延伸位置之間作往復(fù)運(yùn)動，其中該銷與杯狀頭的凹進(jìn)表面相接觸并保持閥件于打開位置。這個較佳的閥結(jié)構(gòu)還包括一個可以連接到一個流體蓄積器的出口，該蓄積器則可以包括一充氣體的囊。一流連接器把一個缸內(nèi)的TDC空間與引導(dǎo)件的軸向孔相連，以便當(dāng)在其中的泵送活塞接近TDC而該一個缸內(nèi)的流體壓力增加時，所述增加的壓力可以作用在引導(dǎo)桿上以迫使該閥件進(jìn)入它的關(guān)閉位置。
在另一個實(shí)施例中，本發(fā)明的自由活塞式發(fā)動機(jī)還包括安裝在籠形件(5)上的碰撞墊片，用以限制雙活塞組件進(jìn)入燃燒缸的移動。
或者，該雙活塞組件還可以進(jìn)一步包括平衡件。該平衡件安裝于雙活塞組件的相對兩側(cè)并適于雙活塞組件在相對于雙活塞組件的運(yùn)動方向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。
在本發(fā)明的又一個實(shí)施例中，自由活塞式發(fā)動機(jī)包括四個并排平行的燃汽缸，每一燃汽缸中有一自由浮動燃燒活塞裝在其中以響應(yīng)于在燃汽缸內(nèi)相繼或逐次燃燒而作線性往復(fù)運(yùn)動。和前述諸實(shí)施例一樣，至少有一泵送活塞從每一燃燒活塞延伸并固定于每一燃燒活塞，并且提供一液壓缸以容納每一泵送活塞。在此較佳實(shí)施例中，一往復(fù)缸與每一液壓缸對齊并與之流體連通。一往復(fù)活塞安裝在每一往復(fù)缸內(nèi)以在其中作往復(fù)運(yùn)動。連接器牢固地并軸向地把一往復(fù)活塞連接到每一泵送活塞上。諸傳送管在第一、第二往復(fù)缸及在第三、第四往復(fù)缸之間提供流體連通。諸撓性的連接件安排在傳送管內(nèi)并通過各自的傳送管并且連接到第一和第二往復(fù)缸的往復(fù)活塞及第三、第四往復(fù)缸的往復(fù)活塞。一連接件把第二、第三往復(fù)缸中的往復(fù)活塞相連以與相關(guān)泵送活塞及燃燒活塞一起一前一后地運(yùn)動。
在本發(fā)明的另一個較佳實(shí)施例中，四個雙活塞組件軸向成對，一對雙活塞組件與另一對雙活塞組件相平行。此實(shí)施例還包括一外籠形件，后者牢固地固定在軸向成對的雙活塞組件中的一個籠形件上。一與上述相似的同步器，連接兩個外籠形件以在相對方向作同步運(yùn)動。與其他實(shí)施例有關(guān)的描述的同步器一樣，此同步器也可以包括在每一外籠形件上的齒條以及安排在齒條間并被每一齒條嚙合的齒輪。
附圖的簡單介紹圖1是已有技術(shù)雙活塞自由活塞式發(fā)動機(jī)的示意圖。
圖2是本發(fā)明的自由活塞式發(fā)動機(jī)的一個實(shí)施例中的一個單個雙活塞組件的示意圖。
圖3是圖2雙活塞組件的另一個視圖，其中進(jìn)一步示出了它的流體循環(huán)系統(tǒng)。
圖4是圖2實(shí)施例的雙活塞組件的立體圖。
圖5是用于本發(fā)明的自由活塞式發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣閥的一較佳實(shí)施例的截面圖。
圖6是具有流體流連接部分和儲蓄器(蓄積器)的高壓、快速關(guān)閉止回閥的示意圖。
圖7是本發(fā)明發(fā)動機(jī)的第二實(shí)施例的單個雙活塞組件的截面圖。
圖8A-圖8D是本發(fā)明的第三個實(shí)施例，它具有兩個并排排列的雙活塞組件并有使這兩個組件同步的裝置。
圖9是本發(fā)明的又一個實(shí)施例的截面圖，其中包括平行設(shè)置的4個雙活塞組件，其中的同步裝置連接著成對的雙活塞組件的籠形構(gòu)件并且具有一牢固地連接兩個最里面的雙活塞組件的連接器。
圖10是本發(fā)明又一個實(shí)施例的單個雙活塞組件的截面圖，其中一個燃燒活塞具有兩個泵送活塞，另一個組件的燃燒活塞具有一個單個的泵送活塞。
圖11是本發(fā)明的發(fā)動機(jī)的又一個實(shí)施例的示意圖，其中四個燃汽缸并排設(shè)置，一往復(fù)活塞固定于每一泵送活塞并具有柔性(撓性的)連接器連接著成對燃汽缸的諸往復(fù)活塞。
圖12是本發(fā)明的自由或呆又一實(shí)施例的示意圖，其中有軸向成對的四個雙活塞組件，成對的活塞組件平行設(shè)置并連接成可以同步運(yùn)行。
圖13是本發(fā)明的自由活塞的又一個實(shí)施例的示意圖，其中具有三個平行的雙活塞組件。
較佳實(shí)施例的描述本發(fā)明將聯(lián)系具有一雙活塞的液壓泵結(jié)構(gòu)的較佳實(shí)施例進(jìn)行敘述。本發(fā)明的許多獨(dú)特的特點(diǎn)(例如運(yùn)行方法，閥的設(shè)計以及儲蓄器的設(shè)計)也可以應(yīng)用于單個活塞及對置活塞結(jié)構(gòu)上，這是本技術(shù)領(lǐng)域中的人士很容易看出的。
像已有技術(shù)的自由活塞式發(fā)動機(jī)設(shè)計那樣，本發(fā)明使用燃燒活塞的沖程以直接產(chǎn)生液壓功率。
本發(fā)明的較佳實(shí)施例的特征是具有在相互對置的缸體中的兩個非軸向設(shè)置的單個活塞組件(在這里也稱作一雙活塞組件)。
每當(dāng)一個活塞處于TDC位置時，另一個活塞處于BDC位置。一個燃燒活塞的壓縮沖程所需的能量由另一個燃燒活塞的膨脹沖程提供，至少對于兩沖程循環(huán)是如此。
當(dāng)用一個單一的雙活塞組件實(shí)施時，本發(fā)明工作于兩沖程循環(huán)。然后，當(dāng)用一對(或多對)雙活塞組件時，本發(fā)明既可以工作于兩沖程循環(huán)也可以工作于四沖程循環(huán)，這將在稍后加以敘述。該燃燒系統(tǒng)可以使用傳統(tǒng)兩沖程及四沖程循環(huán)發(fā)動機(jī)的所有種種實(shí)施例，并且這樣的一些特征在本文中將不予以描述，除非本發(fā)明能為已有技術(shù)自由活塞式發(fā)動機(jī)提供一種已有技術(shù)的未知的某種獨(dú)特的功能或手段時才加以敘述或者這種敘述能增進(jìn)對本發(fā)明的理解時才加以敘述。
圖2及圖3示出了一個較佳實(shí)施例的在垂直平面中的截面視圖，其中使用了在一自由活塞式發(fā)動機(jī)單元中的一單個的雙活塞組件。
圖中的汽缸12是發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的一部分(未作進(jìn)一步圖示)。其中示出了一點(diǎn)燃器120以及一燃料注入器121，但是吸氣和排氣閥出入口及其他內(nèi)燃機(jī)兩沖程及四沖程循環(huán)發(fā)動機(jī)的常規(guī)特征沒有示出。相互對置的活塞13及14在缸體12內(nèi)滑動。燃燒活塞13及14各自具有軸向向內(nèi)連接的泵送活塞15及16，它們各自在泵送缸體17及18內(nèi)滑動。燃燒活塞13及泵送活塞15的單個自由活塞以及燃燒活塞14及泵送活塞16的單個自由活塞組件由一在泵送活塞外部的結(jié)實(shí)的裝置連結(jié)在一起。
圖2示出了一籠形結(jié)構(gòu)19，該籠形結(jié)構(gòu)19把兩個單個自由活塞組件連在一起以形成一包括燃燒活塞13及14、泵送活塞15及16以及籠形結(jié)構(gòu)19在內(nèi)的作為一個單元的雙活塞組件而作往復(fù)運(yùn)動。一個自由活塞式發(fā)動機(jī)單元包括一個這樣的雙活塞組件加上燃燒及液壓缸。在泵送活塞的外部用一個裝置例如籠形結(jié)構(gòu)把兩個分開的單個自由活塞組件連結(jié)在一起而形成一個雙活塞組件的獨(dú)特的構(gòu)形，避免了前述已有技術(shù)雙活塞組件的問題。圖4示出了本發(fā)明雙活塞組件的結(jié)構(gòu)的立體圖以有助于看清籠形結(jié)構(gòu)的情況。在此結(jié)構(gòu)中，籠形結(jié)構(gòu)19延伸(弓伸)得超出燃燒活塞13及14的直徑。
籠形結(jié)構(gòu)19提供了一個牢固結(jié)構(gòu)以避免組件的彎曲，這種彎曲在已有技術(shù)的設(shè)計中由于每一沖程中發(fā)生的大的加速和減速力而時有發(fā)生。一個牢固的結(jié)構(gòu)及一可任選的套管20(圖2)提供了燃燒活塞13及14以及缸體12的精確的定位及不大間隙從而使低摩擦、無環(huán)燃燒活塞的運(yùn)行得以實(shí)施。在使用力矩平衡的軸向泵送活塞的自由活塞式發(fā)動機(jī)設(shè)計中使用無環(huán)運(yùn)行(就象本發(fā)明中那樣)的可能性在已有技術(shù)中常常被討論著，但在實(shí)際中沒有獲得實(shí)現(xiàn)。大家都知道這樣的設(shè)計是具有這種無環(huán)燃燒的可能性的，因為基本設(shè)計消除了與把活塞的線性運(yùn)動轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的所有已有技術(shù)的活塞/曲軸發(fā)動機(jī)有關(guān)的主燃燒活塞的側(cè)向力。然而，任何加在燃燒室活塞上的二次側(cè)力在反應(yīng)時不允許無環(huán)燃燒活塞接觸燃汽缸(因為無環(huán)燃燒活塞不使用油滑油)。甚至重力也作用在組件上而把側(cè)力加到活塞上。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了無環(huán)操作，本發(fā)明的措施是利用套管20抵制任何二次燃燒活塞側(cè)力并且利用一結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)以避免結(jié)構(gòu)的彎曲，因為結(jié)構(gòu)彎曲將允許活塞作側(cè)向運(yùn)動。
籠形結(jié)構(gòu)19還提供了減少雙活塞組件峰值速度的附加重量，從而可以獲得最佳液壓泵送效率以及在泵送旁路流停止過程中降低了流量損失。因為本發(fā)明的目的在于使產(chǎn)生液壓功率的效率最大化，所以需要較大重量的往復(fù)雙活塞組件，而已有技術(shù)致力于降低重量以提高速度和頻率(這是已有技術(shù)提高功率系數(shù)的一種方法)。此外，較大的重量通過利用均勻的加料的壓縮—點(diǎn)火燃燒而有利于切實(shí)可行的、有效的運(yùn)行。
圖3是圖2組件旋轉(zhuǎn)了90°的截面視圖。泵送缸17和18分別與通道22及23相連通。通道22、23中具有獨(dú)特的閥24a及24b(將在下面詳細(xì)敘述)。通道22及23進(jìn)一步通過閥32與通道25相連接。通道25則再連接到低壓工作液源(圖中未示出)。泵送缸17及18還與通道26及27相連通。通道26及27中具有獨(dú)特的單向止回閥28a及28b(將在下面加以詳細(xì)敘述)。通道26及27進(jìn)一步與通道29相連(可以通過閥33)以與高壓工作液接收器(圖中未示出)相連通。圖中的開/關(guān)閥30a及30b用于將高壓流體提供給泵送缸體17及18以啟動發(fā)動機(jī)。
圖2及圖3的單個雙活塞組件按兩沖程循環(huán)運(yùn)行。下面將敘述本發(fā)明的獨(dú)特的運(yùn)行方法。為了啟動發(fā)動機(jī)，雙活塞組件將處于圖2及圖3所示的位置。
(閥30b是可供選用的閥，用以在從不同的起始位置啟動發(fā)動機(jī)時具有較大的撓性性)，閥30a被命令打開，高壓流體從通道29通過打開的閥33、閥30a，通道26而進(jìn)入泵送缸17。在缸體17中的高壓流體作用在泵送活塞15的截面面積上，產(chǎn)生加速雙活塞組件及把燃燒活塞13加速向TDC的力。一位置探測器31(圖2)讀出位于籠形結(jié)構(gòu)19上的位置指示器(圖中未示出)所指示的位置。位置檢測器31發(fā)出的信號被送到一電子控制單元(ECU，圖中未示出)。在該電子控制單元中，雙活塞組件的位置、速度及加速度被測定。速度是從距離已知的位置指示器之間的時間測定的，加速度(或減加速度)是由速度改變的速率測定的。該控制系統(tǒng)提供對雙活塞組件的實(shí)時控制。該ECU包括一存儲器，存儲器中存儲著在種種運(yùn)行條件下發(fā)動機(jī)的功能的特征圖。從液壓油的溫度及發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)(圖中未示出)的輸入以及從位置檢測器31得到的雙活塞組件的每一個位置的瞬時速度及加速度，該ECU決定它命令閥30a關(guān)閉的位置以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的活塞13上的壓縮比。這樣，本發(fā)明的控制方法就能夠提供發(fā)動機(jī)啟動的所希望的壓縮比。因為在第一沖程提供起動燃燒是本發(fā)明的一個目的，起始壓縮比將被選擇得高于正常工作的壓縮比(也在實(shí)時基礎(chǔ)上被控制，這將在下面進(jìn)行敘述)，以確保燃燒的成功發(fā)生。在閥30a被命令關(guān)閉后，雙活塞組件的慣性將繼續(xù)，泵送缸17內(nèi)的容積，閥24a將以止回閥方式打開(或按命令)，允許低壓流體從通道25通過閥24a流過打開的閥32，通過通道22而進(jìn)入泵送缸17，一直到活塞13到達(dá)TDC及燃燒發(fā)生。在啟動沖程，閥24b被命令打開(閥30b，如果有的話，被命令關(guān)閉)。這允許泵送缸18中的流體流過通道23，閥24b，閥32及通道25，避免對啟動壓縮沖程的阻力。
在燃燒發(fā)生后，活塞13及雙活塞組件將開始它的從TDC到BDC的運(yùn)動。閥24a將保持打開，流體將從缸體17流過通道22，閥24a閥32及通道25，此時雙活塞組件被燃燒氣體作用在活塞13的截面面積上的力所加速。與啟動沖程的方式相似，位置檢測器31讀出位于籠形結(jié)構(gòu)上的位置指示器指示的位置。從位置指示器發(fā)出的信號被送到ECU上，并且當(dāng)雙活塞組件從TDC向BDC移動時，雙活塞組件每一位置的速度及加速度都被測定。該控制系統(tǒng)繼續(xù)提供雙活塞組件的實(shí)時控制。從適當(dāng)?shù)奶卣鲌D，以及前面敘述過的輸入信號，加上來自在低壓及高壓路線中的壓力檢測器(圖中未示出)的輸入，ECU決定它命令閥24a關(guān)閉的位置以實(shí)現(xiàn)(1)流體在壓力下從缸體17流經(jīng)止回閥28a，閥33流到通道29，從而產(chǎn)生液壓功率輸出；(2)實(shí)現(xiàn)活塞14上方燃燒氣體的規(guī)定的壓縮比，此壓縮比通常在15～25的范圍之內(nèi)。當(dāng)流體從缸體17在TDC向BDC沖程期間前進(jìn)(如上所述)時，液流流進(jìn)缸體18的過程必須同時發(fā)生。當(dāng)雙活塞組件開始它的從活塞13的TDC到BDC的運(yùn)動時，閥24b保持打開，允許在雙活塞組件BDC位置處缸體18完全充滿。然后這種循環(huán)以類似的方式在下一個沖程重復(fù)由泵送活塞16產(chǎn)生液壓功率。
ECU從雙活塞組件的重量(負(fù)載)的速度及仍加在其上的力(從加速度測定)實(shí)時地測定每一位置從每一燃燒產(chǎn)生的、可以使用(得到)的能量(不管燃料的供應(yīng)量，時間或燃燒的質(zhì)量如何)，從特征圖考慮摩擦的能量消耗并決定實(shí)現(xiàn)一雙活塞組件停止位置所需要的泵送活塞的工作沖程(考慮液壓系統(tǒng)的高低壓力)，以使壓縮燃燒活塞能為下一步的燃燒過程實(shí)時地實(shí)現(xiàn)所固定的壓縮比。ECU然后指令流體進(jìn)入閥(閥24a或24b，視合適而定)在該位置關(guān)閉以完成所需的泵送活塞工作沖程。
本發(fā)明控制自由活塞式發(fā)動機(jī)運(yùn)行中功率輸出的獨(dú)特的運(yùn)行方法，即根據(jù)每一工作沖程的瞬時特性(包括自動調(diào)節(jié)以改變高低液壓、系統(tǒng)摩擦、為每一次燃燒作用提供的燃料量、進(jìn)入空氣的增壓，燃燒的開始和速率以及燃燒的結(jié)束)的方法，消除了已有技術(shù)設(shè)計的控制困難及問題。關(guān)鍵的特點(diǎn)是正確地延遲關(guān)閉流體進(jìn)入閥(24a及24b)，以便在動力抽出或排除過程開始以前(也就是說，在流體開始排放到高壓以前)，把適當(dāng)?shù)牧黧w量送回(開放)到低壓。在關(guān)閉進(jìn)入閥24a(或24b)之前排放回到低壓的適當(dāng)數(shù)量一般可是液壓缸17(或18)的容積的20％～100％，具體百分比主要視發(fā)動機(jī)的負(fù)荷及系統(tǒng)的高壓而定，(在流體吸入沖程結(jié)束之后，進(jìn)入閥24a或24b用作泵送旁路流量控制閥)。
在關(guān)閉發(fā)動機(jī)時，向在燃燒活塞14的燃燒室中的被壓縮空氣的燃料供給被停止，一全工作沖程從缸體17除去，閥24b在雙活塞組件BDC處關(guān)閉。燃燒活塞14的空氣吸入閥(圖中未示出)在此沖程期間可以繼續(xù)保持打開以允許更多的液力抽出。如果有用的話，閥33可以在組件BDC處被關(guān)閉以進(jìn)一步把組件固定在BDC。
在發(fā)動機(jī)運(yùn)行方法中，還使用了獨(dú)特的“故障(事故)模式”控制邏輯。流體吸入閥的延遲關(guān)閉的時間是關(guān)鍵性的，所以閥關(guān)閉位置的“開環(huán)”表作為重要輸入特征的函數(shù)例如預(yù)計的摩擦、供應(yīng)的燃料及液壓系統(tǒng)的高壓被與由ECU部分基于位置檢測器速度及加速度測定值所實(shí)時測定的那些關(guān)閉位置相比較，如果兩個關(guān)閉位置的差別超出一可接受的范圍，ECU將通過中斷燃料供應(yīng)并立刻關(guān)閉正在排出流體的吸入閥，將發(fā)動機(jī)加以關(guān)閉。此外，如果流體吸入閥不按照通過下一個從位置檢測器讀出的位置信息的決定的指令關(guān)閉，則ECU將指令另一個吸入閥關(guān)閉并指令開/關(guān)閥32(圖3)關(guān)閉從而使發(fā)動機(jī)因沒有燃料供應(yīng)而關(guān)閉。另一個供任意選用高壓側(cè)開/關(guān)閥(具有流孔的)33也可以被指令關(guān)閉。
如果系統(tǒng)高的液壓突然下降，閥33也可以通過指令被關(guān)閉。如果發(fā)動機(jī)失去電功率，燃料供應(yīng)停止，流體吸入閥不履行它們的關(guān)閉位置，高流體壓力開/關(guān)閥不履行其關(guān)閉位置。
如果液壓低壓跌落到規(guī)定范圍以下，燃料供應(yīng)停止而關(guān)閉發(fā)動機(jī)以避免吸入流體發(fā)生空穴現(xiàn)象的可能性。
和已有技術(shù)的自由活塞式發(fā)動機(jī)不同，本發(fā)明可以毫無困難地提供一寬范圍的功率輸出。功率輸出可以通過在較低“負(fù)荷水平”(較低燃料率)情況下運(yùn)行以降低功率輸出，也可以通過關(guān)閉以改變運(yùn)行之間的時間長短來降低功率輸出。通過使發(fā)動機(jī)工作于高水平或高位的吸入空氣增壓壓力，則可以大大增加功率輸出。
考慮到對系統(tǒng)總的效率的重要性，延遲吸入閥(圖3中的閥24a及24b)必須足夠大以使敞流壓力降損失達(dá)到最小，能夠按照指令正確及可重復(fù)地進(jìn)行關(guān)閉并且在關(guān)閉時要非常迅速。本發(fā)明的兩個獨(dú)特的閥的設(shè)計不同于已有技術(shù)設(shè)計，能滿足這些要求。
圖5示出了一吸入閥24a及24b的第一個較佳實(shí)施例。閥件40有一個球狀、菌形形狀的頭部46(中空球的一段)及一和頭部46連在一起的引導(dǎo)柱41。這是考慮到大的敞流面積、快速響應(yīng)及高工作壓力(例如5000Psi)的目的最佳設(shè)計。一吸入口22中含有低壓流體。彈簧42的力協(xié)助關(guān)閉閥(如圖所示)并且允許閥24用作傳統(tǒng)的止回閥?？诓?3與泵送缸17相連接(圖5中未示出)。當(dāng)泵送活塞吸入沖程開始時，泵送缸及口部43中的壓力下降，吸入口22中的較高壓力打開閥件40以允許流體流過吸入口22，流過閥座44到口部43。銷45連接在一個可控的驅(qū)動器(圖中未示出)上，后者可以接受命令把力施加到閥件40上以有助于快速打開閥件40。銷45則保持在向下“與閥40接觸”的位置以將閥件40保持在完全打開的位置從而使吸入流體的損失達(dá)到最小。銷45在泵送活塞排出沖程的起始部分期間也維持在全打開(或“全向下”)位置，以使流體流動的損失達(dá)到最小并允許把流體排放回到低壓口22。在動力抽出必須開始的泵送活塞位置處，銷45從閥件40縮回，彈簧42及口43中的較高壓力快速地關(guān)閉閥40。另一種可選用的辦法是，銷45裝在閥40上以便在命令銷45后退時，使閥件40甚至可以更快地關(guān)閉(具有更快的關(guān)閉時間)。
在另一個較佳實(shí)施例中，吸入閥24a及24b是美國專利6,170,524中所描述的那種快速閥，此專利援引在此供參考。揭示在美國專利6,170,524中的閥可以具有非?？焖俚亻_啟或停止時間。
本發(fā)明還擁有獨(dú)特的高壓流量“控制的”止回閥(圖3中的閥28a及28b)，它具有可選用的獨(dú)特的流體儲蓄(累積)器以阻尼由于每一個開始泵送到高壓過程時產(chǎn)生的壓力脈動。高壓脈動是人們所不希望產(chǎn)生的，因為它們是一種效率的損失并且使發(fā)動機(jī)的控制變得比較復(fù)雜。在一個較佳實(shí)施例中，高壓止回閥28a及28b具有圖5中所示的設(shè)計，它們具有一較弱的彈簧(用以降低流體的流量損失)及一獨(dú)特的裝置以使止回閥極快速地關(guān)閉并且是在泵送活塞BDC處高壓流體發(fā)生任何回流之前。高壓流體的回流是一相當(dāng)大的效率損失。
圖6示出了與一儲蓄器結(jié)合在一起的快速關(guān)閉止回閥28a、28b的較佳結(jié)構(gòu)。圖6所示是在泵送缸17一部分內(nèi)處于它的預(yù)定的BDC位置的泵送活塞15的一部分。一流體收集歧管50在泵送活塞15預(yù)定BDC位置的末端(吸入口在圖中未示出)。在泵送活塞15的產(chǎn)生工作沖程期間，流體從泵送缸17通過收集歧管50、收集歧管出口51、閥座44、閥件40、閥柱引導(dǎo)53中的孔(圖中未示出)而進(jìn)入儲蓄器54的流體容積之中。起始流體壓縮在球囊55中的氣體從而減少起始流體加速壓力的峰值。當(dāng)從泵送缸體17出來的流體前進(jìn)時，儲蓄器下部中(接近流體出口)的流體流出儲蓄器出口56到高壓流體接收器中(圖中未示出)。當(dāng)泵送活塞15接近其預(yù)定的BDC位置時，該活塞開始關(guān)閉流體收集歧管出口51，室57中的壓力迅速上升，使在管58及閥關(guān)閉室59中的壓力上升。室59中的高壓使閥件40速度關(guān)閉(即在圖6中所示的位置)，使關(guān)閉流體的損失及流體返回流量達(dá)到最小。此結(jié)構(gòu)也為泵送活塞15及雙活塞組件提供一液壓制動器的“后備”作用以及為在泵送活塞停止控制的不準(zhǔn)確容差提供了“后備”作用。
本發(fā)明的另一個重要的故障模式保護(hù)特點(diǎn)是為兩個單個活塞組件提供了一個結(jié)實(shí)的外部裝置以作為后備的停止裝置。圖2中的碰撞墊35裝在籠形結(jié)構(gòu)19上并且其位置安排得如果雙活塞組件超出了它的終端沖程，(它具有一可接受的變化裕度(余量)，此變化裕度(余量)低于一毫米的1/5或3/10)，碰撞襯墊將接觸缸體外殼12，從而接觸發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，因而提供了活塞與頭的碰撞保護(hù)。
圖7示出了一個實(shí)施例，其中圖1～6中的單個雙活塞組件通過采用一獨(dú)特的設(shè)計而得到了平衡。圖中示出了該雙活塞組件60具有齒輪61a及61b，齒輪61a及61b與齒輪62a及62b相接合，齒輪62a及62b又與平衡重塊63a及63b相接合。平衡重塊63a及63b的重量相等，各自具有雙活塞組件60重量的一半。當(dāng)雙活塞組件60在一個方向移動時，平衡重量63a及63b被齒輪62a及62b所驅(qū)動以相同的速度在相對方向移動。在此實(shí)施例中，自由活塞式發(fā)動機(jī)的單個雙活塞組件的重量和力矩都是良好地平衡的，其中的齒條及齒輪裝置也可以用鏈條/鏈輪、桿或其他的類似同步裝置代替。
圖8A-圖8D示出“四缸的”雙活塞，自由活塞式發(fā)動機(jī)。此發(fā)動機(jī)實(shí)施例可以在一兩沖程循環(huán)中運(yùn)行，其中除一顯著差別之外，每一個雙活塞組件的運(yùn)行都與上述單個雙活塞組件的運(yùn)行相同。此除外的一差別是圖8的結(jié)構(gòu)是用機(jī)械平衡而不是用圖7中的平衡重量進(jìn)行平衡的。
然而，為了使圖8中的結(jié)構(gòu)的力矩也得到平衡，必須另外加上平衡用的重量。
然而，如圖8A-8D所示，圖中的發(fā)動機(jī)也可以以四沖程循環(huán)運(yùn)行。圖8A-圖8D分別示出了在四沖程中的四個位置或沖程。圖8A-圖8D將被用來解釋與兩沖程模式的單個雙活塞組件發(fā)動機(jī)的運(yùn)行方法的一個重要的區(qū)別。因為四沖程循環(huán)發(fā)動機(jī)比兩沖程循環(huán)發(fā)動機(jī)多了兩個沖程(排出和吸入沖程)以產(chǎn)生一工作(或膨脹)沖程，每一泵送缸在經(jīng)歷一填充及工作沖程之前，必須經(jīng)過一增加的填充沖程及一排放回到低壓的沖程。圖8A示出了剛剛結(jié)束它的排放燃燒過的氣體(排放沖程)的燃燒活塞80。在此排出沖程期間，泵送活塞81剛剛完成泵送缸82的填充(沖程填充)。但是因為下一個燃燒活塞80的沖程是一個加進(jìn)空氣的空氣吸入沖程(圖8B)，泵送缸82的流體吸入閥(圖中未示出)必須保持充分打開以允許流體排放回到低壓。至于空氣壓縮、流體吸入沖程(圖8C)、燃燒氣體膨脹以及流體工作沖程(圖8D)與前述兩沖程發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的類似沖程是一樣的，因此在此不再贅述。
四沖程運(yùn)行的上述兩個加出來的流體泵送沖程可以通過從四個泵送活塞去掉兩個泵送活塞和泵送缸而省去。例如，請參閱圖8，如果泵送活塞83及泵送缸84以及泵送活塞85及泵送缸86被取消，留下的兩組泵送活塞及泵送缸將在每一泵送活塞沖程到它的BDC位置時有一個動力(作功)沖程。此結(jié)構(gòu)也可以運(yùn)行于一兩沖程模式，但是留下的泵送缸的流量容量必須加倍(通過加倍泵送活塞及泵送室的截面面積)以為每一至其BDC位置的沖程發(fā)送出兩次燃燒作用的輸出功率。本發(fā)明此實(shí)施例的主要缺點(diǎn)是當(dāng)在經(jīng)過它們的膨脹沖程沒有它自己的軸向泵送活塞的燃燒活塞時，增加的氣體膨脹力將通過齒輪傳送到合適的泵送活塞上。
圖9示出了另一個重量及力矩良好的平衡的8缸自由活塞式發(fā)動機(jī)的實(shí)施例。雖然此實(shí)施例可以用于兩沖程或四沖程運(yùn)行模式，但作四沖程運(yùn)行是特別有吸引力的。為了使兩中心的雙活塞組件90及91及兩外部的雙活塞組件93及94的運(yùn)行可以同步，使用了一個同步裝置92。雙活塞組件90及91以及雙活塞組件93及94一起往復(fù)運(yùn)動。所有其他操作與前面為兩沖程或四沖程敘述的相同。
或者，兩個用齒輪連接在一起的組件可以用電子方法同步，但控制起來比較復(fù)雜些。
圖10示出了本發(fā)明的雙活塞組件的另一個實(shí)施例。在此實(shí)施例中，燃燒活塞70及泵送活塞71是軸向安排的。泵送缸73也與泵送活塞71對齊。燃燒活塞74裝上了兩個泵送活塞75及76，每一個沿著燃燒活塞的圓形截面的中心線性居中并且從活塞外直徑相等地插入以在燃燒活塞上實(shí)現(xiàn)一平衡的凈力。泵送活塞75及76在泵送缸77及78內(nèi)往復(fù)移動。泵送活塞75及76的總截面積必須等于泵送活塞71的截面積。
兩沖程或四沖程的運(yùn)行特征如前所述，采用并列泵送活塞可以使結(jié)構(gòu)比較緊湊，但增加了一些復(fù)雜性。
圖11是另一個實(shí)施例，其中采用了一液壓-機(jī)械式柔性的連接裝置把兩個單活塞組件連在一起。此實(shí)施例的主要優(yōu)點(diǎn)是兩個單活塞組件可以置于彼此相對的各個不同的位置上以允許較好的組裝或平衡。圖11的結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的直列組裝及機(jī)械平衡提供了一并排的位置。而燃燒活塞及泵送活塞可以如前所述地布置。
在圖11的實(shí)施例中，一單個活塞組件的軸向泵送活塞101軸向地安裝在一在往復(fù)缸103中往復(fù)運(yùn)動的流體往復(fù)式活塞102上。泵送活塞101通過中空連接件104安裝到往復(fù)式活塞102上。此中空連接件104往復(fù)通過密封塊105。連接件104的中空中心106與泵送缸107中的流體作流體接觸。一止回閥108只允許流體從連接件104的中空中心流到往復(fù)缸103中。該往復(fù)缸103還通過一傳送管109安裝到其中流體往復(fù)活塞111作往復(fù)運(yùn)動的往復(fù)缸110上。往復(fù)缸110及往復(fù)活塞111是與第二單個活塞組件的相類似的部件。往復(fù)活塞102還由一柔性的機(jī)械裝置連接到往復(fù)活塞111上，該機(jī)械裝置可以耐高的張力，例如鏈112。
用適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)裝置以引導(dǎo)撓性的機(jī)械裝置的運(yùn)動，例如鏈輪113及114。往復(fù)缸103、傳送管109及往復(fù)缸10(在往復(fù)式活塞102及111之間的)內(nèi)的流體是經(jīng)過補(bǔ)給的(因為有些泄漏是無法避免的)，并且是用從泵送缸107經(jīng)止回閥108的流體保持增壓的。增壓的流體使鏈112保持張力或拉緊，而鏈112則限制流體容積。該流體鏈組件作為一撓性的固定長度桿并起圖2中的籠形結(jié)構(gòu)19的作用。因此，此組件是具有撓性連接件的液壓-機(jī)械組件，于是連接在一起的兩個單個活塞組件其功能象本發(fā)明的雙活塞組件一樣，可以運(yùn)行并具有前述的所有特點(diǎn)，其中包括單個雙活塞組件的兩沖程循環(huán)和具有兩個或多個雙活塞組件的四沖程循環(huán)。
圖11還示出了一機(jī)械連接件115，它可以用于把兩個雙活塞組件連接在一起以允許四沖程、重量和力矩都平衡的運(yùn)行。此兩個雙活塞組件也可以用電子方法連接起來，就象在“籠形結(jié)構(gòu)”實(shí)施例中所敘述的那樣。
圖12示出了圖8的4缸“雙活塞”組件發(fā)動機(jī)的又一個實(shí)施例。圖12示出了兩個孿生或成雙的的雙活塞組件A及B。請先參閱其中一個孿生的雙活塞組件A。該發(fā)動機(jī)以兩沖程循環(huán)或四沖程循環(huán)運(yùn)行如前所述。組件A是用機(jī)械方式平衡的(和圖8的實(shí)施例一樣)，但是與圖8的實(shí)施例有所不同。組件A同時也是力矩平衡的。在兩沖程循環(huán)作業(yè)模式中，組件A又是“燃燒力平衡的”。組件A還可以一機(jī)械方式與組件B相連(和圖9一樣，連接兩個圖8的組件)或者用齒輪連在一起(如圖所示)以允許四沖程、燃燒力平衡地操作。圖12的實(shí)施例在有些應(yīng)用中的缺點(diǎn)是發(fā)動機(jī)的長度明顯增加了。
組件A將被用來進(jìn)一步描述此實(shí)施例的獨(dú)特的特點(diǎn)(比圖8及前面實(shí)施例的進(jìn)一步的特點(diǎn))，即工作于兩沖程模式時，力矩及燃燒力的平衡。燃燒活塞124，124A在缸體126，126A中往復(fù)運(yùn)動，并且固定在一起以形成一雙活塞組件120。燃燒活塞124，124A帶有固定在它們上面的泵送活塞128，128A。
同樣，燃燒活塞125，125A在缸體127，127A內(nèi)往復(fù)移動，并固定在一起以形成一雙活塞組件121。燃燒活塞125，125A帶有固定在其上面的泵送活塞129，129A。雙活塞組件120及121由外籠形結(jié)構(gòu)122和通過齒輪12作同步運(yùn)動。組件121加上外籠形結(jié)構(gòu)122的重量必須和組件120的重量相同。當(dāng)組件120從它的外TDC位置向內(nèi)TDC位置移動時，組件121從它的外TDC位置移向它的內(nèi)TDC位置。在此內(nèi)TDC位置上，組件120的內(nèi)燃燒活塞124及組件121的內(nèi)燃燒活塞125結(jié)束了壓縮沖程，燃燒開始并且接著進(jìn)行膨脹沖程(如前所述)。在此發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)中，所有的力都是平衡的。
圖13中示出了圖7實(shí)施例的一個改型。其中采用了雙活塞組件133a及133b以代替平衡重量63a及63b(圖7的)。每一燃燒活塞134a，134b，134c及134d具有中心雙活塞組件130的燃燒活塞135a及135b的一半面積(以給出一半工作容積)。除了可以連續(xù)機(jī)械平衡以外，此圖7的六缸改型的實(shí)施例可以運(yùn)行于兩沖程或四沖程模式，其力矩及燃燒力平衡措施可以選用在圖12中所描述的方式并如前所述方式運(yùn)行。圖13示出的雙活塞組件133a及133b沒有傳送活塞以降低成本。燃燒活塞134a、134b、134c及134d的膨脹功通過同步裝置132a或132b傳送到中心雙活塞組件130并由泵送活塞136a或136b抽取，如前所述。雙活塞組件133a及133b可以加以改變以包括泵送活塞(圖中未示出)并且可以如前所述那樣工作(運(yùn)行)以減少要通過同步裝置132a及132b才能傳送的力。
在又一個實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種操作方法，用它可以進(jìn)行可重復(fù)的燃料及燃燒控制。此方法對較遲關(guān)閉流體吸入閥(閥24a或24b，圖3)的響應(yīng)提供了供電子機(jī)械響應(yīng)的額外的時間。上述針對圖2和圖3所述的方法在此仍是適用的，只是略有不同。仍請參閱圖2及圖3。在采用此控制方法時，適用的較遲吸入閥(閥24a或24b中合適的一個)的關(guān)閉位置，即適于抽取可以得到的能量但同時又留下足夠的能量以確保合適的下一個TDC組件位置是根據(jù)供應(yīng)/指令的燃料量，液壓，及期望的循環(huán)效率(從表格或發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性算法例如摩擦及損失得出)，為每一燃燒過程決定的。還為每一工作沖程根據(jù)下列一個或多個組件能量決定手段提供可選擇使用的、“決定”較遲吸入閥關(guān)閉位置的自適應(yīng)學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)，每一工作沖程的調(diào)節(jié)是(1)根據(jù)從位置檢測器31所提供的信號獲得的在所選擇的位置處的組件的速度(把實(shí)際與所期望的相比較)；(2)根據(jù)從位置檢測器31所得到的信號的雙活塞組件的停止位置(與所期望的停止位置相比較)；(3)根據(jù)從一缸壓傳感器(圖中未示出)所獲得的信號的、在組件停止處或停止處附近、但在燃燒開始前的相對燃燒缸壓力。
在本發(fā)明的精神或基本特點(diǎn)的范圍內(nèi)，本發(fā)明還完全可以以多種其他形式來實(shí)施，因此無論從哪一方面來說，本發(fā)明的實(shí)施例只是起說明本發(fā)明之用而本發(fā)明絕不限于所述實(shí)施例。本發(fā)明的范圍應(yīng)如權(quán)利要求書所述而不是由以上的描述來決定。因此所有在與權(quán)利要求中權(quán)項等價的范圍和意義之內(nèi)的所有變化均擬落入本發(fā)明的被保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種至少具有一個發(fā)動機(jī)單元的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，該發(fā)動機(jī)單元具有一對軸向相對設(shè)置的燃汽缸；一對自由浮動的燃燒活塞，它們分別安裝在所述燃燒缸內(nèi)以響應(yīng)于燃燒缸內(nèi)的逐次的燃燒作用而在其中作線性往復(fù)運(yùn)動；一從每一對燃燒活塞延伸并固定于其上的泵送活塞；一對軸向?qū)R的液壓缸，它們位于該對燃燒缸之間并各自容納所述泵送活塞以在其中作往復(fù)的線性運(yùn)動；一籠形結(jié)構(gòu)，它牢固地連接該對燃燒活塞并圍繞所述液壓缸及泵送活塞，并提供一往復(fù)式雙活塞組件；以及所述每一液壓缸中的出入口，用于進(jìn)入處于第一壓力的液體并排放出高于第一壓力的第二壓力的流體。
2.如權(quán)利要求1所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述液壓缸是牢固地連在一起的。
3.如權(quán)利要求1所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述燃燒缸相對于所述牢固地連接的燃燒活塞設(shè)置，以便在該對燃燒活塞中的一個活塞處于上止點(diǎn)時(TDC)，該對燃燒活塞中的另一個活塞處于下死點(diǎn)(BDC)。
4.如權(quán)利要求1所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，它還包括一圍繞和引導(dǎo)一桿的套管，該桿把一燃燒活塞與一泵送活塞相連，其中，所述燃燒活塞是無環(huán)的。
5.如權(quán)利要求1所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，它還包括在籠形結(jié)構(gòu)上的位置指示器及位置檢測器，該檢測器用于讀出該位置指示器，以及包括一用于測定所述籠形結(jié)構(gòu)的位置的電子控制單元。
6.如權(quán)利要求1所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，它包括至少兩個所述發(fā)動機(jī)單元及一用于連接至少兩個雙活塞組件的籠形結(jié)構(gòu)的同步裝置，以為所述雙活塞組件提供方向相反的、同步而平行的移動。
7.如權(quán)利要求6所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述同步裝置包括一在所述兩個雙活塞組件的每一籠形結(jié)構(gòu)上的齒條和一位于齒條間并與齒條嚙合的齒輪。
8.一種操縱至少具有一個發(fā)動機(jī)單元的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，該發(fā)動機(jī)單元包括一對軸向地相對設(shè)置的燃汽缸，該汽缸內(nèi)各自容納著自由浮動的燃燒活塞，其中，每個燃燒活塞具有至少一個泵送活塞，后者固定于燃燒活塞上并安裝在液壓缸中以在其內(nèi)作往復(fù)的線性運(yùn)動，并且其中，燃燒活塞被固定在一起并作為雙活塞組件一前一后地往復(fù)運(yùn)動，所述方法包括當(dāng)泵送活塞從BDC向TDC移動時通過一低壓流體吸入閥把低壓流體吸入液壓缸，并且當(dāng)泵送活塞從上止點(diǎn)向下死點(diǎn)移動時，排放高于低壓的高壓流體；讀出在雙活塞組件上的位置指示器以為在一個方向的一工作沖程產(chǎn)生位置信號；測量所述高壓和所述低壓，并產(chǎn)生代表測得的壓力的壓力信號，在所述位置信號及所述壓力信號的基礎(chǔ)上，決定關(guān)閉在該沖程中的低壓流體吸入閥以使雙活塞組件停止在指令的停止位置，從而抽出液壓功率并且實(shí)時地實(shí)現(xiàn)相對燃燒活塞在該沖程中的目標(biāo)壓縮比。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，停止位置是這樣實(shí)現(xiàn)的允許低壓流體吸入閥繼續(xù)打開直到通過它完成一液壓缸的流體的充入并在液壓缸的充入容積的20％～100％通過它排放返回低壓時的一個位置處關(guān)閉該低壓流體閥。
10.一種操縱至少具有一個發(fā)動機(jī)單元的自由活塞式發(fā)動機(jī)的方法，該發(fā)動機(jī)單元包括一對軸向相對設(shè)置的燃燒缸，每一燃燒缸各自在其中設(shè)置著自由浮動的燃燒活塞，其中，每一燃燒活塞具有至少一個泵送活塞，后者固定于其上并安裝在液壓缸中以在其中作往復(fù)的線性運(yùn)動，并且其中，該成對的燃燒活塞被固定在一起并以一先一后的方式作為一雙活塞組件作往復(fù)運(yùn)動，其特征在于，所述方法包括當(dāng)泵送活塞從BDC向TDC移動時，通過一低壓流體吸入閥把低壓的流體吸入液壓缸，并且當(dāng)泵送活塞從TDC向BDC移動時，排放高于該低壓的高壓流體；在一給定循環(huán)的工作沖程中，讀取在雙活塞組件的多個位置處、位于雙活塞組件上的位置指示器以產(chǎn)生位置信號；在位置信號的基礎(chǔ)上作為雙活塞組件的速度和加速度的函數(shù)，測定一次燃燒作用在所述給定循環(huán)中所產(chǎn)生的能量；測量所述高壓和低壓，并產(chǎn)生代表測得的壓力的壓力信號；在測得的能量及壓力信號的基礎(chǔ)上，決定一關(guān)閉低壓流體吸入閥的位置，以在所述給定循環(huán)的下一個循環(huán)中，使一壓縮沖程達(dá)到目標(biāo)壓縮比；并且在所述給定循環(huán)中，在排放回到低壓時，關(guān)閉所述低壓流體吸入閥以使該雙活塞組件停止在所需的位置從而實(shí)時地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)壓縮比。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，，目的壓縮比為每一循環(huán)提供目的壓縮比指令，而低壓流體吸入閥在排放回到低壓時被關(guān)閉以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)壓縮比。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，它還包括測定至少一個發(fā)動機(jī)工作參數(shù)，該發(fā)動機(jī)工作參數(shù)包括燃料供應(yīng)速率及高壓；在測得的發(fā)動機(jī)工作參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立一個關(guān)閉低壓流體閥的停止位置的范圍，當(dāng)一測得的停止位置超過停止位置的范圍時，把發(fā)動機(jī)加以關(guān)閉。
13.如權(quán)利要求1所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，它還包括至少一個流體吸入閥，用以控制進(jìn)入所述液壓缸中一個缸的流體，所述流體吸入閥包括一閥件，該閥件具有一杯狀頭部，該杯狀頭部具有周邊或周圍密封表面，相對的凹凸表面，和一從凸表面延伸出的整體式引導(dǎo)桿；一引導(dǎo)件，該引導(dǎo)件具有一容納該引導(dǎo)桿的軸向孔，并提供讓所述閥件相對于它在開和閉的位置之間作軸向往復(fù)運(yùn)動；一彈簧，用于將所述閥件向著關(guān)閉位置偏置，即該閥件的頭部的密封表面密封著閥座的位置處偏置；一與所述一個液壓缸流體連通的出口；一被所述閥座圍繞的入口；以及一同軸地安裝在所述入口內(nèi)的可往復(fù)運(yùn)動的銷，用于在一縮進(jìn)位置和一延伸位置之間進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，其中所述銷與所述杯狀頭部的凹表面相接觸，使閥件保持在打開位置。
14.如權(quán)利要求1所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，它還包括至少一高壓流體排出閥，用于控制從液壓缸之一的流體的排放，所述流體排出閥包括一包括一杯狀頭的閥件，該杯狀頭部具有一周邊或周圍密封表面，相對的凹凸表面和一從所述凸表面延伸的整體式引導(dǎo)桿；一引導(dǎo)件，該引導(dǎo)件具有一容納該引導(dǎo)桿的軸向孔，并提供所述閥件作相對于它的、在開和關(guān)的位置之間的往復(fù)運(yùn)動；一彈簧，用于將所述閥件向所述關(guān)閉位置偏置，即閥件的頭的密封表面密封著閥座的位置處偏置；一與所述液壓缸流體相連通并被所述閥座圍繞的出口；一把所述一液壓缸與所述軸向孔相連的一流體連接器通道，以便當(dāng)所述一缸內(nèi)的流體壓力在安裝于其內(nèi)的泵送活塞接近BDC而增加時，所述增加的壓力作用在引導(dǎo)桿上以迫使所述閥進(jìn)入關(guān)閉位置。
15.如權(quán)利要求14所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，它還包括一與所述出口相連的流體儲蓄器。
16.如權(quán)利要求15所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，它還包括在流體儲蓄器之內(nèi)的一其內(nèi)充著氣體的囊狀件。
17.如權(quán)利要求14所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述出口當(dāng)所述泵送活塞接近下死點(diǎn)(BDC)時被所述泵送活塞關(guān)閉，從而形成一被逮住或受困的流體容積，其中上升壓力形成一對泵送活塞的制動力。
18.如權(quán)利要求1所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，它還包括安裝在所述籠形結(jié)構(gòu)上的碰撞墊，用以限制所述雙活塞組件移入所述燃燒缸。
19.如權(quán)利要求1所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，它還包括平衡件，該平衡件安裝并連接在所述雙活塞組件的兩對相側(cè)以在與所述雙活塞組件運(yùn)動相反的方向上作往復(fù)運(yùn)動。
20.如權(quán)利要求1所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，它包括發(fā)動機(jī)的直線安排的第一到第四發(fā)動機(jī)單元，并且各自包括第一到第四雙活塞組件，以及包括第一同步裝置，用以連接第一和第二雙活塞組件的籠形結(jié)構(gòu)以為第一和第二雙活塞組件提供在相反方向的同步平行運(yùn)動，一第二同步裝置，用以連接第三和第四雙活塞組件的籠形結(jié)構(gòu)以為第三和第四雙活塞組件提供相反的同步平行運(yùn)動，一牢固地把第二和第三雙活塞組件的籠形結(jié)構(gòu)連接在一起的連接器，用以一先一后地作往復(fù)運(yùn)動。
21.如權(quán)利要求20所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述第一同步裝置包括一在各第一和第二雙活塞組件的籠形結(jié)構(gòu)上的齒條和一位于第一和第二雙活塞組件之間并被第一和第二雙活塞組件上的齒條所嚙合的第一齒輪；其中第二同步裝置包括一在每一第三和第四雙活塞組件的籠形結(jié)構(gòu)上的一齒條和一位于第三和第四雙活塞組件的籠形結(jié)構(gòu)的齒條之間并被第三和第四雙活塞組件和籠形結(jié)構(gòu)上的齒條所嚙合的第二齒輪。
22.如權(quán)利要求1所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，它包括從燃燒活塞之一延伸的第一、第二泵送活塞和一從另一燃燒活塞延伸的第三泵送活塞，并且第一、第二、第三液壓缸中各自容納第一、第二、第三泵送活塞，所述第一和第二泵送活塞在所述一個燃燒活塞的圓截面的中心線上居中并且其總的截面積與所述第三泵送活塞的截面相等。
23.一種自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，它包括一對平行并排地設(shè)置的燃汽缸；一自由浮動燃燒活塞，它安裝在每一燃燒缸中，以在其內(nèi)響應(yīng)在燃燒缸內(nèi)相繼發(fā)生的燃燒作用作往復(fù)線性運(yùn)動；至少一個泵送活塞，它從每一燃燒活塞延伸并固定于該每一燃燒活塞；一液壓缸，它容納每一泵送活塞以在其內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動；一往復(fù)缸，它與每一所述液壓缸軸向?qū)R并與每一所述液壓缸流體連通；一往復(fù)活塞，它安裝在每一往復(fù)缸中以在其內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動；諸連接器，用以牢固地并軸向地把每一往復(fù)活塞連接于一泵送活塞；一傳送管，它在往復(fù)缸之間提供液體連通；以及一撓性的連接件，它通過所述傳送管并連接所述往復(fù)活塞。
24.一種自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，它包括4個平行并排設(shè)置的燃燒缸；一自由浮動的燃燒活塞，該燃燒活塞安裝在每一燃燒缸中以響應(yīng)在燃汽缸中相繼發(fā)生的燃燒作用而在其內(nèi)作線性往復(fù)運(yùn)動，至少一個泵送活塞，它從每個所述燃燒活塞延伸并固定于其上；一液壓汽缸，它可容納每個所述泵送活塞以使泵送活塞在其內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動；一往復(fù)缸，它與每一所述液壓缸對齊并與每一液壓缸流體連通，一往復(fù)活塞，安裝于每一往復(fù)缸中以在該缸中作往復(fù)運(yùn)動；用于牢固并軸向地把一往復(fù)活塞連接到每一泵送活塞的連接器；在第一和第二和第三及第四往復(fù)缸之間提供流體連通的傳送管；撓性連接件，它經(jīng)過各自的傳送管并將第一及第二往復(fù)缸中的傳送活塞與在第三及第四傳送缸中的往復(fù)活塞相連；一連接裝置或連接件，它把第二及第三往復(fù)缸中往復(fù)活塞連接起來以一先一后的方式與泵送活塞及燃燒活塞一起運(yùn)動。
25.如權(quán)利要求24所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述燃燒缸是串聯(lián)式或并列布置的。
26.如權(quán)利要求23所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述連接器是中空的管子，并且其中，流體在往復(fù)缸和一液壓缸之間通過所述連接器以及在每一往復(fù)活塞中的一中央通道，它還包括在每一往復(fù)活塞的中央通道中的止回閥，此止回閥只允許流體在從液壓缸至往復(fù)缸的方向上流動。
27.如權(quán)利要求24所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述連接器是中空的管子，并且其中，流體在往復(fù)缸和液壓缸之間通過所述連接器以及在每一往復(fù)活塞中的一中央通道相連通，它還包括在每一往復(fù)活塞中央通道中的止回閥，此止回閥只允許該流體在從液壓缸至往復(fù)缸的方向上流動。
28.如權(quán)利要求1所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，它包括至少一對軸向?qū)R的雙活塞組件；以及一外籠形構(gòu)件，該外籠形構(gòu)件牢牢地固定于雙活塞組件之一的一籠形構(gòu)件上并且通過同步裝置連接到在所述對齊對的另一雙活塞組件上以為雙活塞組件提供按相反方向的同步軸向運(yùn)動。
29.如權(quán)利要求1所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，它包括4個所述雙活塞組件，所述4個雙活塞組件包括軸向?qū)R的第一、第二雙活塞組件及軸向?qū)R的第三和第四雙活塞組件，第一及第二組件設(shè)置得平行于第三、第四組件；一外籠形結(jié)構(gòu)，它牢固地固定于在每一軸向?qū)R對中的一個雙活塞組件的一籠形構(gòu)件上并通過同步裝置連接到在所述對齊對中的另一個雙活塞組件以為雙活塞組件提供相對方向的同步軸向運(yùn)動；以及一第二同步裝置，該第二同步裝置連接所述外籠形構(gòu)件以完成同步的、方向相反的平行運(yùn)動。
30.如權(quán)利要求29所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述第二同步裝置包括在所述每一外籠形構(gòu)件上的齒條和一安排在所述每一齒條之間被齒條嚙合的齒輪。
31.一種流體控制閥，其特征在于，它包括具有一杯狀頭的閥件，該杯狀頭具有一周邊或周面的密封表面，相對設(shè)置的凹和凸的表面以及一從所述凸面延伸、連成一體的引導(dǎo)桿；一引導(dǎo)件，它具有一容納所述引導(dǎo)桿的軸向孔并提供相對于它的、在打開和關(guān)閉位置之間的所述閥件的往復(fù)運(yùn)動；一彈簧，該彈簧把所述閥件向所述關(guān)閉位置偏置，即所述閥件的頭部的密封表面密封住一閥座的位置；一被所述閥座圍繞入口；一出口，以及一同軸地安裝在所述入口內(nèi)的、可往復(fù)運(yùn)動的銷，用于在一縮進(jìn)位置和一延伸位置之間進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，其中，所述銷與所述杯狀頭的凹面相接觸，將所述閥件保持在所述打開位置。
32.一種流體控制閥，其特征在于，它包括一閥件，該閥件包括一杯狀頭，一周緣(周圍)密封表面，相互對置的凹凸表面以及一從所述凸面延伸、連成一體的引導(dǎo)桿；一引導(dǎo)件，該引導(dǎo)件具有一容納所述引導(dǎo)桿的軸向孔，以及提供一相對于它的、在打開和關(guān)閉位置之間所述閥件的軸向往復(fù)運(yùn)動；一彈簧，該彈簧將所述閥件向關(guān)閉位置偏置，即所述的閥件的頭的密封表密封住一閥座的位置；一被所述閥座圍繞的口部；一將所述口部與所述軸向孔連接起來的流體連接器通道，以便當(dāng)在所述流體連接器通道內(nèi)的流體壓力升高時，此升高的壓力作用在所述引導(dǎo)桿上迫使所述閥件進(jìn)入所述關(guān)閉位置。
33.如權(quán)利要求32所述的一流體控制閥，其特征在于，它還包括與所述口部連接的一流體儲蓄器(蓄積器)。
34.如權(quán)利要求33所述的一流體控制閥，其特征在于，它還包括一在所述流體儲蓄器(蓄積器)內(nèi)的充有氣體的囊狀件。
35.一種操縱至少具有一個發(fā)動機(jī)單元自由活塞式發(fā)動機(jī)的方法，該發(fā)動機(jī)單元包括一對軸向相對設(shè)置的燃汽缸，缸內(nèi)分別容納有自由浮動的燃燒活塞，其中每一燃燒活塞具有至少一個固定于其上并安裝于液壓缸內(nèi)的泵送活塞，用以在其內(nèi)作往復(fù)的線性運(yùn)動，并且其中，燃燒活塞固定在一起并作為一雙活塞組件一前一后作往復(fù)運(yùn)動，其特征在于，所述方法包括，當(dāng)泵送活塞從BDC向TDC移動時，通過一低壓流體吸入閥把低壓的流體吸入液壓缸，并且當(dāng)泵送活塞從TDC向BDC移動時，把高于低壓的高壓液體排放出去；測定作為在一個方向的一工作沖程指令提供的燃料能量；測量所述高壓和低壓并產(chǎn)生代表所測得的壓力的壓力信號；測量發(fā)動機(jī)的溫度及產(chǎn)生代表所測得的溫度的溫度信號；在溫度信號以及在其測定的所指令或控制的燃料能量的基礎(chǔ)上，從表格或算法測定所預(yù)期的循環(huán)效率；在控制的燃料能量，所述壓力信號以及預(yù)期的循環(huán)效率的基礎(chǔ)上決定在該沖程中關(guān)閉低壓流體吸入閥的位置，以使雙活塞組件停止在所控制的位置，從而抽取液壓功率以及在該沖程中相對燃燒活塞的目標(biāo)壓縮比。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，關(guān)閉所述低壓流體吸入閥的位置是根據(jù)從每一工作沖程的可測定的有效能量的基礎(chǔ)上加以調(diào)節(jié)的。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述測定的有效能量是在讀取雙活塞組件上的位置指示器的讀數(shù)以產(chǎn)生該工作沖程的位置信號以及從計算該組件的速度的基礎(chǔ)上確定的。
38.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述測定的有效能量是在讀取雙活塞組件上的位置指示器的讀數(shù)以產(chǎn)生該工作沖程的位置信號以及從測得的該組件的停止位置的基礎(chǔ)上確定的。
39.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述測定的有效能量是在讀取在雙活塞組件上位置指示器以產(chǎn)生該工作沖程的位置信號以及在所述組件停止處或停止處附近、但在燃燒開始之前測得的相對燃燒缸壓力的基礎(chǔ)上確定的。
40.一種操縱至少具有兩個發(fā)動機(jī)單元的自由活塞式發(fā)動機(jī)的方法，每一發(fā)動機(jī)單元具有兩個軸向相對設(shè)置的燃汽缸，后者分別在其中容納著自由浮動燃燒活塞，其中，每一燃燒活塞具有至少一固定于其上的泵送活塞并安裝于一液壓缸內(nèi)以在其內(nèi)作往復(fù)線性運(yùn)動，其中，兩燃燒活塞固定在一起并作為一雙活塞組件而一先一后地往復(fù)運(yùn)動，并且其中一第一發(fā)動機(jī)單元的兩燃燒活塞連接到一第二發(fā)動機(jī)單元的兩燃燒活塞上以在相反方向上作同步運(yùn)動，其特征在于，所述方法包括在一固定于所述第一泵送活塞的第一燃燒活塞的排出沖程期間，通過一低壓流體吸入閥，把一低壓流體吸入一第一泵送活塞的液壓缸內(nèi)；通過所述第一燃燒活塞的吸入沖程把空氣吸入第一燃燒活塞的燃燒缸殼體中，與此同時，保持所述低壓流體吸入閥打開；并從所述第一泵送活塞的氣壓缸排放低壓流體；通過所述第一燃燒活塞的壓縮沖程壓縮進(jìn)入的空氣，同時把流體吸回到第一泵送活塞的液壓缸中；當(dāng)?shù)谝蝗紵钊?jīng)過一工作沖程時關(guān)閉低壓流體吸入閥，從第一泵送活塞的液壓缸排放高于低壓的高壓流體；讀取在包括所述第一燃燒活塞的雙活塞組件上的位置指示器以產(chǎn)生作為在一個方向中的所述沖程之一的位置信號，以及在位置信號的基礎(chǔ)上決定在該循環(huán)中的關(guān)閉低壓流體吸入閥的位置以在與第一燃燒活塞成對的一第二燃燒活塞的壓縮沖程中，抽出液壓功率并實(shí)時地實(shí)現(xiàn)目的壓縮比。
41.一種操縱至少具有兩發(fā)動機(jī)單元的自由活塞式發(fā)動機(jī)的方法，每一發(fā)動機(jī)單元具有兩個軸向相對設(shè)置的燃汽缸，所述燃汽缸分別含有自由浮動燃燒活塞，其中，至少兩個燃燒活塞具有至少一個泵送活塞，后者固定于燃燒活塞上并安裝在一液壓汽缸中以在一其中作往復(fù)的線性運(yùn)動，其中，該兩個燃燒活塞固定在一起并作為一雙活塞組件進(jìn)行一先一后地往復(fù)運(yùn)動，并且其中，第一發(fā)動機(jī)單元的兩個燃燒活塞與一第二發(fā)動機(jī)單元的兩個燃燒活塞相連以在相反方向作同步運(yùn)動，其特征在于，所述方法包括通過一低壓流體吸入閥在第一沖程向固定于所述第一泵送活塞的第一燃燒活塞的上止點(diǎn)移動期間，把一低壓流體吸入第一泵送活塞的液壓缸中；關(guān)閉所述低壓流體吸入閥，并當(dāng)?shù)谝蝗紵钊?jīng)過一工作沖程時，從第一泵送活塞的液壓缸排出高于低壓的高壓流體；通過一低壓流體吸入閥，在第二沖程向第一燃燒活塞的上止點(diǎn)移動期間，把低壓流體吸入第一泵送活塞的液壓缸中；關(guān)閉該低壓流體吸入閥，并在一雙活塞組件中固定于所述第一燃燒活塞的第二燃燒活塞經(jīng)過—工作沖程時，從所述第一泵送活塞的液壓缸中排放高于低壓的高壓流體；讀出含有該第一燃燒活塞的一雙活塞組件上的位置指示器以產(chǎn)生沖程之一的在一個方向的位置信號；在位置信號的基礎(chǔ)上，決定在上述循環(huán)中關(guān)閉該低壓流體吸入閥的位置，以抽出液壓功率并在所述第二燃燒活塞的壓縮沖程中實(shí)時地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)壓縮比。
42.如權(quán)利要求1所述的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，該發(fā)動機(jī)包括三個所述發(fā)動機(jī)單元，其中，第一，第二，第三雙活塞組件按直線排列，該發(fā)動機(jī)單元還包括同步裝置，所述同步裝置可使第一、第三雙活塞組件以與第二雙活塞組件相反的方向上運(yùn)動；并且其中，第二雙活塞組件的重量等于第一、第三雙活塞組件的兩倍；并且其中，第二雙活塞組件的燃燒活塞的截面等于第一及第三雙活塞組件的兩倍。
43.如權(quán)利要求42的自由活塞式發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述第一、第三雙活塞組件不包括泵送活塞。
全文摘要
一自由活塞式發(fā)動機(jī)包括至少一雙活塞組件，每一雙活塞組件具有一對軸向相對設(shè)置的燃汽缸(12)和自由浮動的燃燒活塞(13，14)，后者分別安裝在燃汽缸中以響應(yīng)逐次發(fā)生的燃燒而作往復(fù)性運(yùn)動。一泵送活塞(15，16)從每一燃燒活塞延伸并固定于每一燃燒活塞，該泵送活塞(15，16)在位于該成對的燃汽缸之間的液壓缸(17，18)內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動。該成對的燃汽缸由一籠形結(jié)構(gòu)(19)牢固地連接以作一先一后地往復(fù)運(yùn)動。
文檔編號F04B17/05GK1571884SQ02820761
公開日2005年1月26日 申請日期2002年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月6日
發(fā)明者查爾斯L·小格雷 申請人:美國環(huán)境保護(hù)署