專利名稱：自由活塞發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及如權利要求1的導言所述的自由活塞發(fā)動機。
自由活塞發(fā)動機從根本上是根據(jù)2-循環(huán)方法做功的燃燒發(fā)動機，沒有曲軸驅動但具有液壓回路，其中包括循環(huán)泵作為其隨后布置的驅動輪系。為了達到這一目的，發(fā)動機活塞連接到液壓缸上，從而發(fā)動機做功循環(huán)過程中產(chǎn)生的平移能量直接供給到液壓做功介質，而沒有借助曲軸驅動的旋轉運動。所設計的隨后布置的、具有儲存能力的液壓回路可吸收輸出動力并將其儲存，根據(jù)動力需求將輸出動力供應到液壓輸出單元，如軸向活塞發(fā)動機。
在DE4024591A1中描述了一種一般類型的自由活塞發(fā)動機，它也被公知為BRANDL自由活塞發(fā)動機。在這一概念中，發(fā)動機活塞的壓縮運動通過與液壓活塞的合作而進行，液壓活塞可以通過2/3-路切換閥與高壓蓄能器或低壓蓄能器連接。在壓縮沖程的開始，通過將高壓蓄能器中的壓力施加到液壓缸來加速發(fā)動機的活塞。一旦達到預定的發(fā)動機活塞速度，通過切換閥將液壓缸連接到低壓蓄能器，進行發(fā)動機活塞的進一步壓縮沖程以克服來自做功氣體壓縮壓力的有效力。當達到外死點(AT)時，點燃做功氣體，發(fā)動機活塞朝內(nèi)死點(IT)加速。在活塞從AT運動到IT的過程中，通過切換閥控制打開與高壓蓄能器的連接，從而發(fā)動機活塞減速，其動能轉換為液壓勢能，將高壓蓄能器充能。盡管切換閥的響應時間為毫秒級，但在切換閥控制高壓蓄能器打開和關閉時造成的節(jié)流損失可能為發(fā)動機功率的10％。
BRANDL自由活塞發(fā)動機的這些缺點可以在另外自由活塞的設計中克服，這種被稱為INNAS發(fā)動機，在例如WO 96903576 A1中有描述。
在INNAS自由活塞發(fā)動機中，液壓活塞被設計為級差活塞，具有兩個有效表面，較大的第一個安排在壓縮缸中，而較小的第二個形成泵的做功室或做功缸。大表面能承受壓縮缸中的壓力，而做功缸可以通過止回閥連接到高壓蓄能器或低壓蓄能器。這種INNAS自由活塞發(fā)動機與BRANDL自由活塞發(fā)動機相比，結構更加復雜，從而設備技術的支出相當高。
考慮到上述問題，本發(fā)明立足于進一步開發(fā)同種的自由活塞發(fā)動機，目的是將設備技術的支出降到最低程度。
這一目的是通過具有權利要求1特征的自由活塞發(fā)動機實現(xiàn)的。
本發(fā)明自由活塞發(fā)動機具有級差活塞，其較大的端面在壓縮缸中導引，較小端面在做功缸中。做功缸和壓縮缸都可以連接到公共的高壓蓄能器，用于啟動壓縮沖程或在膨脹沖程中充能。與開始描述的INNAS自由活塞發(fā)動機相比，這一變化的優(yōu)點在于僅僅有兩個壓力蓄能器，即低壓蓄能器和高壓蓄能器，就足以進行工作，而在同類的INNAS自由活塞發(fā)動機中需提供三個壓力蓄能器及相關的管線。因此本系統(tǒng)建造得很緊湊并且設備技術的支出較低，從而與開始描述的方案相比，降低了自由活塞發(fā)動機的生產(chǎn)成本。
另一個優(yōu)點是，液壓活塞或發(fā)動機活塞分別具有內(nèi)死點位置，在壓力條件下可自動達到這一位置。在高壓蓄能器的高壓作用下，發(fā)動機活塞在膨脹沖程中必須做功克服此高壓，從而由于力的平衡，與高壓蓄能器的低壓作用相比，膨脹沖程在較早點結束。由于死點位置的移動，在下一個循環(huán)的壓縮沖程中可用的加速距離相應縮短。由于高壓蓄能器的壓力在壓縮沖程中作用在較大端面上，因此較高的壓力補償了縮短的加速距離，從而發(fā)動機活塞加速到與較長加速距離低壓條件下的速度大約相同的速度。從而對發(fā)動機活塞提供的能量約等于在高壓蓄能器的低壓條件下及較長加速距離條件下提供給活塞的能量。
本發(fā)明解決方案的另一個本質優(yōu)點在于，在液壓活塞從其死點位置的返回運動過程中實際上沿著液壓活塞的整個路徑進行壓力介質的吸入，而在開始描述的BRANDL自由活塞發(fā)動機中，僅在液壓活塞達到預定的加速度后進行壓力介質從低壓蓄能器的吸入。
在本發(fā)明技術方案中，在沒有達到發(fā)動機活塞內(nèi)死點的條件下，例如，作為不點火的結果，可以通過將低壓蓄能器的壓力施加到做功缸達到內(nèi)死點。
在優(yōu)選實施例中，較大端面形成的壓縮室和環(huán)形面形成的做功室在壓縮沖程中都連接到液壓蓄能器。在壓縮沖程中，壓力介質由高壓蓄能器提供，并且與此同時壓力介質從做功缸返回到高壓蓄能器，這樣沿著壓縮方向作用的活塞面積對應于優(yōu)選為差壓活塞形式的活塞較大端面與環(huán)形面間的面積差。作為這些變化的結果，與傳統(tǒng)解決方案相比，可以充分減小穿過用于控制高壓蓄能器連接打開和關閉的啟動閥的壓力介質流動。
包括差壓活塞的發(fā)動機本質上具有比INNAS自由活塞發(fā)動機小的結構長度，因為本發(fā)明的解決方案中，壓縮缸同時用于在壓縮沖程中產(chǎn)生壓力以及為高壓蓄能器充能。
不采用差壓缸，也可以使用包括套環(huán)以及活塞桿在做功缸中導向并在壓縮缸中具有較大直徑活塞部分的活塞。為了啟動壓縮沖程，級差活塞的環(huán)形端面與高壓蓄能器連接，其中低壓蓄能器的壓力作用在活塞桿較小端面上，從而壓縮沖程由從低壓蓄能器中吸入的壓力介質支撐。
在有益的發(fā)展中，級差活塞具有控制肩臺，從而在壓縮沖程中可以控制與高壓蓄能器連接的打開，這樣在經(jīng)過液壓活塞預定的加速距離后，壓力介質繞過啟動閥直接從高壓蓄能器送入壓縮缸中。由于壓力介質的主流動不需要經(jīng)過啟動閥，因此進一步減小節(jié)流損失。
在特別優(yōu)選的變化中，自由活塞發(fā)動機包括方向控制閥，在其幫助下可以控制打開圍繞啟動閥的啟動管線，從而在啟動發(fā)動機時提供大面積的橫截面用于加速自由活塞。在自由活塞發(fā)動機工作期間此方向控制閥保持打開。
在這個變化中，優(yōu)選地，方向控制閥是具有級差邏輯活塞的邏輯閥。邏輯活塞較小面積的橫截面能借助上游排泄閥承受高壓蓄能器的壓力，而邏輯活塞較大面積的橫截面承受壓縮缸的壓力。
排泄閥優(yōu)選地設計為3/2-路方向控制閥，通過它可以選擇較小面積的橫截面承受高壓蓄能器的壓力或者罐壓力。
當由于不點火或某些其它故障造成發(fā)動機活塞不能返回到其外死點位置時，自由活塞發(fā)動機可以具有回程裝置。這里壓縮缸可以通過活塞回程裝置連接到一個罐，從而朝外死點方向作用的活塞端面的壓力減輕。
在一個特別優(yōu)選的應用實施例中，活塞回程裝置具有關閉閥，在關閉閥處于打開位置時，做功缸與壓縮缸連接。
活塞回程裝置還包括活塞回程閥，以它作為中介壓縮缸可以連接到罐。
根據(jù)本發(fā)明，關閉閥與液壓活塞一體形成在一起。這個方案的優(yōu)點在于節(jié)流損失是最小的，因為壓縮缸與做功缸之間的連接路徑短。并且這種布置具有非常緊湊的結構，因為不需要為活塞回程裝置提供單獨的接收位置。如果止回閥也與液壓活塞一體形成在一起還可進一步提高緊湊程度。
止回閥集成和關閉閥一體形成的一個可能性在于液壓活塞設計成具有套環(huán)和活塞桿的兩部分，其中套環(huán)設計成在滑動套的帶動下能在活塞桿上滑移。套環(huán)封閉平移位置中的控制截面，從而控制關閉壓縮缸和做功缸之間的連接。在其止回位置，相應地控制打開控制截面。
在這種結構的方案中，當處于壓縮缸低壓下的彈性偏壓的原始位置時，關閉體在活塞桿的一個端部內(nèi)軸向滑動阻擋套環(huán)中的凹坑。當壓縮缸中的壓力增大時關閉體升高，從而通過套環(huán)的上述軸向移動僅僅再次關閉壓縮缸與做功缸之間的連接。
在故障的情況下，當朝外死點方向作用的環(huán)形端面受到高壓蓄能器的壓力時，級差活塞可以主動地朝外死點方向移動，其中至少一個朝相反方向作用的表面減輕壓力。如果在發(fā)動機活塞一側的環(huán)形端面設計成具有比級差活塞朝內(nèi)死點方向作用的環(huán)形端面大的面積，則返回特別容易。
為了在一定程度上影響壓縮壓力，在低壓通道中可設有通向低壓蓄能器的旁路管線，從而可以繞過位于此處的止回閥。此旁路管線可以由計量閥關閉。
本發(fā)明的進一步優(yōu)勢發(fā)展是其它從屬權利要求的涉及內(nèi)容。
下面參考附圖更詳細地解放本發(fā)明的優(yōu)選的應用實施例，在附圖中

圖1表示自由活塞發(fā)動機的應用實施例，其中包括設計為差壓活塞的液壓活塞；圖2和3表示圖1中的自由活塞發(fā)動機的不同工作位置；
圖4表示圖1的自由活塞發(fā)動機，其中具有調節(jié)壓縮壓力的裝置；圖5表示圖1的自由活塞發(fā)動機，其中包括活塞回程裝置；圖6表示自由活塞發(fā)動機的應用實施例，其中具有設計為級差活塞的液壓活塞；圖7表示圖6所示的應用實施例的一個變化，其中包括活塞回程裝置；圖8表示自由活塞發(fā)動機的應用實施例，其中具有部分一體形成在液壓活塞上的改進啟動裝置和活塞回程裝置；圖9表示圖8的液壓活塞的結構方案。
圖1示意性表示自由活塞發(fā)動機1的第一應用實施例。它具有發(fā)動機外殼2，在其燃燒缸4中引導發(fā)動機活塞6。發(fā)動機活塞6與軸向孔10中同軸布置的液壓活塞8工作連接。液壓活塞8的環(huán)形端面12形成做功缸14，而液壓活塞8的較大端面16形成壓縮缸18。
壓力通道20和低壓通道22都與做功缸14相通。低壓通道與低壓蓄能器24相連，其中止回閥26防止壓力介質從做功缸14向低壓蓄能器24流動。
壓縮缸18通過高壓通道28與高壓蓄能器30相連，其中在設計為2/2-路方向控制閥的啟動閥32的幫助下控制高壓通道28的打開和關閉。壓力通道20與高壓通道28相通。通過中間的另一個止回閥34，可以防止壓力介質從高壓蓄能器30流入做功缸14。
燃燒缸4具有出口通道36，通過它廢氣可以從燃燒室38中排出，發(fā)動機活塞6形成燃燒室38。
發(fā)動機活塞6朝向液壓活塞8的后側形成入口室40，在圖示的發(fā)動機活塞6的內(nèi)死點中心位置具有最小的體積，入口室40通過溢流通道42與燃燒室38相連。
在發(fā)動機活塞6的壓縮沖程，通過入口通道44供應新鮮空氣，入口通道44包括入口閥46。自由活塞發(fā)動機的點燃是通過在燃燒缸中開口的噴射器48噴射燃料實現(xiàn)的。
下面，解釋圖1所示的自由活塞發(fā)動機的功能。在循環(huán)的開始，燃燒室38充滿新鮮空氣，啟動閥32關閉，發(fā)動機活塞6和液壓活塞8位于其死點位置(IT)，如圖1所示。
為了啟動壓縮沖程，啟動閥32打開，從而高壓蓄能器30與壓縮缸18連接。由于壓力作用在較大端面16上，液壓活塞從其死點位置加速，并且此加速傳遞到發(fā)動機活塞6。做功缸14中的壓力介質通過止回閥34和壓力通道20流回到壓力通道28。即，液壓活塞8的端面16和環(huán)形端面12受到高壓蓄能器30的壓力，從而與活塞桿區(qū)域對應的端面朝外死點(AT)方向作用。低壓蓄能器24的連接被止回閥26阻擋。
根據(jù)圖2，新鮮空氣在發(fā)動機活塞6的壓縮沖程中通過入口通道44和打開的入口閥46被吸入到增大的入口室40內(nèi)。發(fā)動機活塞6的加速克服燃燒缸38中新鮮空氣壓縮壓力漸熱地增大。此后發(fā)動機活塞6減速并在外死點(AT)達到靜止。
一旦發(fā)動機活塞6減速到其AT，則通過噴射器48噴射燃料并且在新鮮空氣的高溫作用下點燃，從而發(fā)動機活塞6，根據(jù)圖3所示，在燃燒室38中的燃燒壓力作用下從AT朝IT加速。此加速傳遞到液壓活塞8，從而后者在圖3中向左朝其IT處運動。由于做功缸14環(huán)形空間的合成尺寸增大，通過低壓通道22和止回閥26從低壓蓄能器24吸入壓力介質。與此同時，壓縮缸18中的壓力介質流入高壓通道28，液壓蓄能器30充能。即，在圖1到3所示的應用實施例中，液壓蓄能器30的充能與從低壓蓄能器輔助地吸入壓力介質同時進行。由于此輔助吸入在液壓活塞8的整個返回運動中進行，因此做功室14中不會出現(xiàn)空穴現(xiàn)象。
在返回運動過程中，與高壓蓄能器30中的蓄能器壓力相比，發(fā)動機活塞6和液壓活塞8的動能降低，直到它們減速到IT。在此過程中，新鮮空氣通過溢流通道42從吸入室40中流入使燃燒缸38換氣。發(fā)動機活塞6和液壓活塞8到達其IT后，啟動閥32進入其阻擋位置，自由活塞發(fā)動機1準備下一個循環(huán)。
圖4表示壓縮沖程中的自由活塞發(fā)動機，其中在上述應用實施例中補充了計量壓縮能量的裝置。此裝置具有旁路管50，通過它可以繞過低壓通道22中的止回閥26。在旁路管50中具有設計為2/2-路方向控制閥的計量閥52，當其處于阻擋位置時阻擋旁路管50。
當計量閥52處于阻擋位置時，圖4所示的應用實施例與上述附圖中的一個對應。打開與發(fā)動機控制相通的計量閥52，做功室14可以直接與低壓蓄能器24連接，從而環(huán)形端面12受到低壓蓄能器24的壓力。因此液壓活塞8在壓縮沖程中的加速不需要克服高壓蓄能器30的壓力，從而，例如在壓縮沖程的開始，可以增大所提供的壓縮能量。
在控制自由活塞發(fā)動機出現(xiàn)故障時，例如，在不點火的情況下，可能發(fā)生發(fā)動機活塞6和液壓活塞8不能恰當?shù)胤祷氐絀T。為了返回到IT，自由活塞發(fā)動機1應包括活塞回程系統(tǒng)，如圖5中所示的變化。例如，此活塞回程系統(tǒng)可以包括布置在壓力通道20中的活塞回程閥54。在圖中a所示的活塞回程閥54的原始位置，壓力通道20按上述方式與高壓通道28相通，因此其功能對應于上述應用實施例中的一個。當出現(xiàn)故障時，啟動閥32被控制關閉，活塞回程閥54進入到圖中b所示的位置，使高壓通道28與罐T連接。接著壓縮缸18中的壓力介質朝罐T卸壓，從而液壓活塞8和發(fā)動機活塞6在施加到工作室14的低壓蓄能器24的壓力作用下，可以返回其內(nèi)死點位置。
圖6表示自由活塞發(fā)動機1的應用實施例，其中液壓活塞具有級差活塞的形式，它具有兩個活塞桿56、58和一個環(huán)形套環(huán)60。在此應用實施例中，做功缸14由右側活塞桿56的端面62形成，如圖6所示。壓縮缸18由朝向活塞桿56的環(huán)形套環(huán)60的環(huán)形端面64形成。液壓活塞8的活塞桿58和左側環(huán)形端面66形成軸向孔10的環(huán)形缸68，軸向孔10中容納液壓活塞8。低壓蓄能器34與上述應用實施例相似，通過低壓通道22和止回閥26連接到活塞桿56附近的做功缸14。在此做功缸14中，還具有壓力通道20，它與高壓蓄能器30連接并包括止回閥34。
高壓蓄能器30還通過高壓通道28連接到由右側環(huán)形端面64形成的壓縮缸18。在高壓通道28中設有啟動閥32?？梢酝ㄟ^旁路通道72繞過啟動閥32，旁路通道72具有設于其中的止回閥70，允許壓力介質從壓縮缸18返回到高壓蓄能器30。
通過環(huán)形套環(huán)60的環(huán)形端面64的外圍邊緣，可以控制壓力管74打開，壓力管74與高壓通道28在止回閥70的下游位置連通。
至于其余部分，圖6中所示的自由活塞發(fā)動機與上述應用實施例中的相應，因此省去進一步的描述。
為了啟動壓縮沖程，啟動閥32從其阻擋位置進入傳輸位置，從而高壓蓄能器30通過壓力通道28與壓縮缸18連接。由于壓力作用在環(huán)形端面64上，液壓活塞8加速，發(fā)動機活塞6朝其AT運動，壓縮燃燒缸38中的新鮮空氣。液壓活塞8完成預定的軸向位移后，環(huán)形端面64的外圍邊緣控制打開壓力管74，從而壓力介質可以直接進入壓縮缸18并繞過啟動閥32。這樣將穿過啟動閥32的節(jié)流損失減小到最低程度，因為壓力介質僅僅在壓縮沖程開始時流過啟動閥32。在壓縮沖程中，通過低壓通道22和打開的止回閥26從低壓蓄能器34中將壓力介質吸入做功缸14中。在AT處由于燃燒室38中壓縮壓力增大，發(fā)動機活塞6減速。啟動閥32關閉，噴射器48噴射燃料，從而點燃形成的混合物。發(fā)動機活塞6和液壓活塞8從AT向IT加速，在液壓活塞8返回運動過程中控制壓力管74關閉。相對做功缸14和壓縮缸18中的壓力進行膨脹運動，從而高壓蓄能器30分別通過壓力通道20或高壓通道28充能，此時止回閥34打開。
圖7表示圖6所示自由活塞發(fā)動機的一個變化，其中液壓活塞8為級差活塞的形式，后者裝有活塞回程系統(tǒng)，允許發(fā)動機活塞6和液壓活塞8在故障時返回到其IT位置。在圖7所示的應用實施例中，活塞回程系統(tǒng)包括與高壓蓄能器30相通的回程通道76，該通道70與環(huán)形缸68相通。在設計為2/2路方向控制閥的切換閥78的作用下，環(huán)形缸68和高壓蓄能器30之間的連接可以關閉或打開。當出現(xiàn)故障時，例如不點火，環(huán)形缸68可以通過切換閥78連接到高壓蓄能器30，從而環(huán)形端面66受到朝IT方向使用的壓力。在圖7所示的應用實施例中，移動的活塞桿58的面積小于活塞桿56的移動面積，從而同時作用在環(huán)形套環(huán)60的端面66、64的合力指向IT方向。
做功缸14的壓力可以通過與做功缸14相連的釋放通道80減小，其中部分低壓通道22位于止回閥26的下游。此釋放通道可以通過控制閥82控制打開和關閉。即，活塞回程一啟動，控制閥82就進入其打開位置，從而在液壓活塞8返回運動過程中，通過釋放通道80做功缸14將壓力介質排入低壓蓄能器24。
液壓活塞8的環(huán)形端面66還可以通過通道84連接到另一個包括釋放通道80的切換閥86上，并從而直接連接到低壓蓄能器24，因此，例如，在壓縮沖程過程中，液壓活塞8的后側可以受到較低的壓力。此時控制閥82進入其阻擋位置。
圖8示意性表示自由活塞發(fā)動機1具有液壓活塞8部分的范圍，液壓活塞8用于驅動裝在其中的發(fā)動機活塞(未示出)。在圖8所示的應用實施例中，與圖4所示的應用實施例相似，低壓蓄能器24通過止回閥26與做功缸14的環(huán)形做功室連接。通過包括計量閥52的旁路管50可以繞過止回閥26，從而通過直接施加到低壓蓄能器24可以影響在壓縮沖程開始提供的壓縮能量。
高壓蓄能器30通過高壓通道28和啟動閥32以及壓力通道20連接到壓縮缸18。在圖示的應用實施例中，止回閥34一體形成在液壓活塞8上。
與圖5所示的實施例相似，自由活塞發(fā)動機包括活塞回程組件84，但在圖示的實施例中組件84包括關閉閥86和回程閥88。關閉閥86也一體形成在液壓活塞8上。回程閥88是2/2路方向控制閥的形式，在其彈性偏壓的原始位置處阻擋在罐通道90和壓力通道20之間延伸的通道92，并在其切換位置打開此連接。
通過方向控制閥94以及同時繞過啟動閥32，高壓通道28可以直接連接壓縮缸18，方向控制閥94一體形成在自由活塞發(fā)動機1的發(fā)動機外殼2上。在圖8所示的應用實施例中，方向控制閥94是具有級差邏輯活塞96的邏輯閥(2/2路筒式閥)。邏輯活塞96具有較大面積截面的端面偏壓在閥座100上。在此閥座100的范圍內(nèi)形成徑向口102，通過旁路管104與高壓通道28連接。即，當邏輯活塞96放在閥座100上時，阻擋旁路管104與壓縮室18之間的連接。
邏輯活塞96具有較小面積截面的另一端部在控制室108中引導，通過控制通道110和釋放閥112可以與罐通道90連接或與高壓通道28連接。在圖示的應用實施例中，釋放閥112為3/2路方向控制閥的形式，當處于其彈性偏壓的原始位置時，將高壓通道28與控制通道110連接。在切換位置，阻擋與高壓通道28的連接，控制通道110與罐通道90連接。
除了在控制室108中產(chǎn)生的壓力外，彈簧113的力也將邏輯活塞96朝關閉方向偏壓到閥座104。
為了啟動自由活塞發(fā)動機，釋放閥112進入其切換位置，較小面積的截面106受到罐壓力。在啟動發(fā)動機時彈簧113的設計使控制初始靜止的活塞被偏壓到閥座100上。啟動閥32打開，壓縮缸18受到高壓蓄能器的壓力，增大的壓力加速液壓活塞8。這使作用在邏輯活塞96的較大面積截面98上的壓力升高，邏輯活塞96打開，從閥座100上升起，徑向端口102以及因而與高壓蓄能器30的連接打開，從而完全打開邏輯閥94。
在這個變化中的優(yōu)點在于邏輯活塞96通過其本身的控制肩臺接收能量以實現(xiàn)打開，從而不需要控制閥。打開動作是非常快速的，因此壓縮缸18中的壓力可以在高動態(tài)性能下增大，在自由活塞發(fā)動機1工作過程中，邏輯活塞96保持在其打開位置。
為了關閉自由活塞發(fā)動機，關閉啟動閥32，釋放閥112切換到其原始位置，從而邏輯活塞96的較小面積截面106受到高壓蓄能器的壓力，自由活塞發(fā)動機1接著達到靜止狀態(tài)，而啟動閥32和邏輯閥94關閉。即，在上述的技術方案中，邏輯閥94也作為止回閥，從而控制打開從壓縮缸18到高壓蓄能器30之間的連接。
從圖8所示的示意性結構可以看出，關閉閥86受到關閉彈簧114在關閉方向上的作用力以及壓縮缸18在打開方向上的壓力。當關閉閥86打開時，做功缸14通過止回閥34與壓縮缸18連接。因此，在上述的壓縮缸18內(nèi)壓力增大過程中，關閉閥86進入打開位置，從而在壓縮沖程中為了給高壓蓄能器30充能，做功缸14的壓力增大可以通過止回閥34和高壓通道28完成。
圖9表示將止回閥84和關閉閥86一體形成在液壓活塞8中的一種可能結構方案。相應地，后者具有分流活塞的形式，包括套環(huán)116和活塞桿118，與套環(huán)116的外徑相比活塞桿118具有較小的直徑。套環(huán)116和活塞桿118通過滑動套120互相連接在一起。對軸向連接，活塞桿118具有位于滑動套120內(nèi)部的較大直徑端部122。在圖示的停止位置，后停止表面124接觸滑動套120的停止環(huán)126。端部122設計有導孔128，關閉體130在其中被軸向滑動地導引。后者通過壓縮彈簧132被偏壓到套環(huán)116上。套環(huán)116具有杯形結構并且在其底面134上具有凹槽137。在圖示的原始位置，這個凹槽137被偏壓在上面的關閉體130關閉，從而阻擋壓縮缸18與做功缸14之間的連接。關閉體130因此成為套環(huán)116的支座136。
根據(jù)圖9，關閉體130具有補償孔138，通過它壓力介質可以從做功缸18進入彈簧室140。關閉體130具有導向心軸142，密封性地插在活塞桿118的軸孔144中。選擇壓縮彈簧132的作用力以及左側、閥座一側端面和右側、彈簧室一側環(huán)形端面之間的面積差，從而當做功缸18的壓力低于低壓蓄能器24的壓力時，關閉體130仍被偏壓在其關閉位置。做功缸18一達到較高壓力，關閉體130就克服壓縮彈簧132的作用力向右移動，直到它接觸停止肩146。通過做功缸18的壓力，套環(huán)116也沿軸向相對活塞桿118向右移動直到接觸關閉體130，從而阻擋凹槽137。如果在壓縮沖程中做功缸14的壓力升高到大于/等于壓縮缸18的壓力，則套環(huán)116在作用在其端面的壓力差作用下從關閉體130上升起，控制打開做功缸14與壓縮缸18之間的連接，高壓蓄能器30被充能。即，在此應用實施例中，套環(huán)116作為止回閥，用于控制打開做功缸14與壓縮缸18之間的連接。關閉體130和壓縮彈簧132實際上作為關閉閥，當壓縮缸18的壓力增大時進入其打開位置。僅僅在壓縮缸18的壓力低于低壓蓄能器24的壓力時此關閉閥關閉。無論何時自由活塞只要移動回其啟動位置時，就建立這種低壓。
特別是，上述方案的特征是極其緊湊的結構，其中由于做功缸14和壓縮缸18直接連接，節(jié)流損失降低到最低程度。從根本上，圖8和9中所示的方案也可以按照上述應用實施例實現(xiàn)。
上述應用實施例中所用的額外設備基本上可以應用于上述兩個具有級差活塞或差壓活塞的變化形式中，或者是單獨應用，或者是聯(lián)合應用。
除了圖5所示的3/2路方向控制閥以外，也可以使用2/2路方向控制閥作為活塞回程閥54，在這種情況下，止回閥34也應采用可閉鎖的。
本發(fā)明涉及的是自由活塞發(fā)動機，包括能被級差液壓活塞驅動的發(fā)動機活塞。液壓活塞的較大直徑處于壓縮缸中，而較小直徑處于做功缸中。在壓縮沖程，壓縮缸與高壓蓄能器連接，做功缸與低壓蓄能器或高壓蓄能器連接。在一個膨脹沖程中，高壓蓄能器由來自缸室的壓力介質充能。
參考標記列表1自由活塞發(fā)動機2發(fā)動機外殼4燃燒缸6發(fā)動機活塞8液壓活塞10 軸向孔12 環(huán)形端面14 做功缸16 端面18 壓縮缸
20 壓力通道22 低壓通道24 低壓蓄能器26 止回閥28 高壓通道30 高壓蓄能器32 啟動閥34 止回閥36 出口通道38 燃燒室40 入口室42 溢流通道44 入口通道46 入口閥48 噴射器50 旁路管52 計量閥54 活塞回程閥56 活塞桿58 活塞桿60 環(huán)形套環(huán)62 小的端面64 右側環(huán)形端面66 環(huán)形端面68 環(huán)形缸70 止回閥72 旁路通道74 壓力管76 回程通道78 切換閥
80 釋放通道82 控制閥84 活塞回程裝置86 關閉閥88 回程閥90 罐通道92 通道94 方向控制閥96 邏輯活塞98 較大面積截面100 閥座102 徑向端口104 旁路管106 較小面積截面108 控制室110 控制通道112 釋放閥113 彈簧114 關閉彈簧116 套環(huán)118 活塞桿120 滑動套122 端部124 停止表面126 停止環(huán)128 導孔130 關閉體132 壓縮彈簧134 底面136 支座
137 凹槽138 補償孔140 彈簧室142 導向心軸144 軸孔146 停止肩
權利要求
1.一種自由活塞發(fā)動機，包括能被級差液壓活塞(8)驅動的發(fā)動機活塞(6)，液壓活塞(8)具有位于做功缸(14)中的較小直徑部分以及位于壓縮缸(18)中的較大直徑部分，在壓縮沖程中通過啟動閥(32)能夠承受壓力介質蓄能器(30)的壓力介質作用，其中，壓力介質從低壓蓄能器(24)中被吸入到所述做功缸(14)內(nèi)，同時在膨脹沖程中使用所述缸(14，18)中一個的壓力介質為壓力介質蓄能器充能，其特征在于，所述壓力介質蓄能器是高壓蓄能器(30)，高壓蓄能器(30)與所述做功缸(14)和所述壓縮缸(18)都連接。
2.如權利要求1所述的自由活塞發(fā)動機，其特征在于，所述活塞(8)的較大端面(16)可與所述高壓蓄能器連接，所述活塞(8)的較小環(huán)形端面(12)可通過止回閥(34)與所述高壓蓄能器(30)連接或者通過第二止回閥(26)與所述低壓蓄能器(24)連接。
3.如權利要求1所述的自由活塞發(fā)動機，其特征在于，所述液壓活塞(8)是級差活塞(8)，具有在所述做功缸(14)中引導的活塞桿(56)和在所述壓縮缸(18)引導的具有較大直徑的活塞部分(60)。
4.如權利要求2或3所述的自由活塞發(fā)動機，包括壓力管(74)，壓力管(74)一方面連接到啟動閥(32)和高壓蓄能器(30)之間的所述高壓通道(28)的范圍內(nèi)，另一方面與壓縮缸(18)連接，并且在所述液壓活塞(8)的壓縮沖程中能被控制打開，其中在所述高壓通道(28)內(nèi)所述啟動閥(32)和所述高壓蓄能器(30)之間的部分通過包括止回閥(70)的管線與所述壓力管(74)連接。
5.如權利要求3或4所述的自由活塞發(fā)動機，其特征在于，包括切換閥(78)的回程通道(76)從所述高壓通道(28)中分支出來而連接到環(huán)形缸(68)，另一個活塞桿(58)穿過所述環(huán)形缸(68)，從而當控制打開所述切換閥(78)時，壓力介質朝所述發(fā)動機活塞(8)的內(nèi)死點方向施加給環(huán)形端面(66)。
6.如權利要求5所述的自由活塞發(fā)動機，其特征在于，在發(fā)動機活塞一側的活塞桿(58)的直徑比另一活塞桿(56)的直徑小。
7.如權利要求2所述的自由活塞發(fā)動機，其特征在于，包括方向控制閥(94)，其活塞(96)允許控制打開繞過所述啟動閥(32)的旁路管(104)。
8.如權利要求7所述的自由活塞發(fā)動機，其特征在于，所述方向控制閥(94)是邏輯閥，具有階梯結構的邏輯活塞(96)，其中較小面積截面(106)通過釋放閥(112)受到所述高壓蓄能器(30)內(nèi)的壓力，較大面積截面(98)受到所述壓縮缸(18)內(nèi)的壓力。
9.如權利要求8所述的自由活塞發(fā)動機，其特征在于，所述釋放閥(112)是3/2路方向控制閥，在切換位置將所述高壓蓄能器(30)的壓力或者罐通道(90)的壓力施加給較小面積截面(106)。
10.如上述權利要求任一項所述的自由活塞發(fā)動機，其特征在于，包括活塞回程閥裝置(54)，由此所述壓縮缸與所述罐(T)連接或者與所述高壓蓄能器(30)連接。
11.如權利要求10所述的自由活塞發(fā)動機，其特征在于，所述活塞回程裝置(54)包括關閉閥(86)和回程閥(88)，關閉閥(86)用于連接所述做功缸(14)和所述壓縮缸(18)，回程閥(88)用于連接所述壓縮缸(18)和所述罐(90)，其中所述關閉閥(86)一體形成在所述液壓活塞(8)內(nèi)。
12.如權利要求11所述的自由活塞發(fā)動機，其特征在于，所述與所述高壓蓄能器(30)相連的所述止回閥(34)也一體形成在所述液壓活塞(8)內(nèi)。
13.如權利要求12所述的自由活塞發(fā)動機，其特征在于，形成較大活塞直徑的液壓活塞(8)的套環(huán)(160)通過滑動套(120)與活塞桿(118)連接，所述活塞桿(118)通過端部(122)軸向可移動地在所述滑動套(120)中引導，其中所述套環(huán)(116)在一個平移位置關閉控制截面，從而中斷所述壓縮缸(14)和所述做功缸(18)的連接。
14.如權利要求13所述的自由活塞發(fā)動機，其特征在于，在壓縮彈簧(132)作用下偏壓在所述套環(huán)(116)底面(134)內(nèi)凹槽上的關閉體(130)位于所述端部(122)中，所述壓縮缸(18)的壓力通過所述關閉體(130)的補償孔(138)作用在所述壓縮彈簧(132)的彈簧室(140)中，向關閉方向作用的所述關閉體(130)的表面小于向打開方向作用的所述關閉體(130)的端面。
15.如上述權利要求任一項所述的自由活塞發(fā)動機，其特征在于，在所述做功缸(14)和所述低壓蓄能器(24)之間的低壓通道(22)中，設有繞過所述止回閥(26)的旁路管(50)，在計量閥(52)的作用下能阻擋所述旁路管(50)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種自由活塞發(fā)動機，它具有能被級差液壓活塞驅動的發(fā)動機活塞。液壓活塞的較大直徑在壓縮缸中引導，而較小直徑設置在做功缸中。在壓縮沖程中，壓縮缸與高壓蓄能器連接，做功缸與低壓蓄能器或高壓蓄能器連接。在一個膨脹沖程中，高壓蓄能器由來自缸室的壓力介質充能。
文檔編號F02B71/00GK1440489SQ01812182
公開日2003年9月3日 申請日期2001年5月15日 優(yōu)先權日2000年5月19日
發(fā)明者魯?shù)婪颉ど豳M爾 申請人:博世力士樂股份有限公司