带有摆动驱动阀门致动的直线活塞流体发动机的制作方法

专利名称：带有摆动驱动阀门致动的直线活塞流体发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及带有单作用汽缸的轴向活塞流体发动机，这些单作用汽缸可枢转地附 接回转阀门，这些回转阀门由摆动驱动构件致动。
背景技术：
具有沿着平行轴的由摆动板机构可枢转地运行的多个活塞的轴向活塞蒸汽发动 机类型是本领域所公知的。可参见美国专利4，491，057(Ziegler，1985年)的例子。如在 美国专利4106354 (Girodin，1978年)中的其他例子那样，这些发动机容纳在刚性块内并具 有固定且静止的汽缸。这些活塞具有球接活塞杆，这些活塞杆对摆动板机构进行推拉，以将 活塞运动转换为旋转运动。这些例子中的发动机有许多精密加工的零件和铸件以及用于装套的发动机块体。 对于它们能够产生的功率而言，这些发动机相对较重。这些活塞易受来自角向活塞杆调整 的侧压力。需要另外的活塞延伸和密封件以容纳附接到这些活塞的球接杆。与角向活塞杆 调整关联的侧力引起对这些活塞的侧面和该摆动板的连接杆的压力。这些活塞、接头和密 封件上的压力要求对不易进入的位置经常性地进行润滑。磨损过的密封件和接头不易进行 更换。这样的发动机一直未得到大规模使用。未进行这种类型的发动机的商业开发可能 是由于生产成本相对较高以及维护和润滑问题。大型和小型发动机的尺度调整也可能由于 用于阀门管道和致动的受限空间而成为问题。这些汽缸之间的空间限制规定了具有受限气 流的小型端口开口。

发明内容
本发明的目的在于通过提供带有易于调整尺度以用于大型和小型用途的可变数 量的汽缸的模块化发动机来提供对轴向活塞发动机的改进。进一步的目的在于通过消除对 活塞的侧向力来减少摩擦。这通过用较少的部件提供直线运动来实现。这种新的结构安排 的结果是往复运动质量重量的降低和对润滑的极少要求。这种阀门安排考虑到了用于大型 端口尺寸的空间，以用于流体的自由流动。结构的经济性便于并不复杂而经济的制造。根据本发明，一至八个轴向活塞汽缸在每个汽缸的基部的中空球旋转节自由转动 和旋转，以允许汽缸随着附接到活塞杆的活塞盘的运动调节、旋转和枢转。这些活塞杆附接 到围绕中央摆动驱动构件的枢转驱动点。在这些活塞盘与枢转驱动点的中间，管状活塞杆 导被定位于附接到这些汽缸的支架的中心，以实现这些活塞盘在汽缸内的对齐。该摆动驱 动构件具有由该曲轴上的柔性杆或万向节确立的中央枢轴点。该摆动驱动构件将该活塞盘 的往复运动传递到以与该曲轴的轴成角度枢接的单曲柄销。上述的这些球旋转接头将这些 汽缸的基部枢接到旋转阀门，这些阀门被提供给至这些汽缸和来自这些汽缸的端口流体。 这些阀门在这些汽缸基部的有利位置提供用于大型阀门端口的充足的空间，以便于流体交 流。受控于联结杆的杠杆操作这些阀门。这些联结杆被从该摆动驱动构件上的连接点致动，该摆动驱动构件与其关联的汽缸的活塞杆驱动点基本上呈90度角。该摆动驱动构件上的 这些阀门联结连接点的这种安排提供这些阀门的进气和排气阶段的精确间歇定时，以保持 用于这些活塞冲程的大部分长度的全部进气和排气位置。这些活塞盘的轴向往复运动被转换成该曲轴的均勻旋转，且零件经济性更高、往 复质量更小。通过上述的这种安排，沿着该摆动驱动构件的弧形路径的这种活塞驱动点的 位移被转化成这些活塞盘在该汽缸内的直线运动。因此可采用单“0”型环密封件来密封该 汽缸壁内的活塞盘。这些活塞盘与汽缸壁之间的减少的接触导致较少的摩擦和极小的润滑 要求。有利的是，饱和蒸汽在正常运行时能够提供足够的润滑。在下面的直线流体发动机的详细描述中会明白本发明的其他目的和优点。


图1是根据本发明的一个实施例的四缸轴向活塞发动机的透视图。图2是结合本发明的实施例的主要元件的轴向活塞发动机的单模块的局部分解 透视图。图3是通过由图4中的剖面线III-III指明的平面截取的这种机器的旋转阀门和 球旋转节的优选实施例的横向截面图。图中示出了该阀门杆的三个位置。图4是基本上通过由图3中的剖面线IV-IV指明的平面截取的侧视图。图中示出 了该阀门衬套和阀门体的局部剖面图。图5是根据本发明的一个实施例的四缸发动机的阀门安排的透视图。图6示出了本发明的六缸发动机的局部视图，图中示出了在该活塞的摆动驱动构 件和这些阀门驱动点上的相对位置。
具体实施例方式详细参看图示，图1作为优选实施例示出了具有框组件的轴向活塞发动机，该框 组件带有四个支腿10a，这些支腿连接通常用数字10指示的两个端壁，这两个端壁以适当 的操作关系支持四个基本部件，这四个部件由四个相同的铰接汽缸组件11组成，这四个组 件枢接到固定的蒸汽送汽阀门组件12、输出曲轴13、摆动驱动构件14，该摆动驱动构件将 这些汽缸组件与该曲轴互连。示于图1和图2中的汽缸组件11由汽缸组成，该汽缸由球旋转套筒节20枢接到 阀门组件12。管20被固定到该汽缸的底部、含有用耐用金属或陶瓷材料制成的中空球并且 可枢转地安装到同样耐用的旋转套筒节28内，该旋转套筒节被可置换地连接到阀门12。该 汽缸内的活塞盘15由连接杆16可位移地连接，并且通过活塞导杆组件18与该汽缸对齐， 该活塞导杆组件具有导管18a和管架18b，该管架具有起汽缸通风口 18c的作用的正方形侧 面。活塞盘15设有环形活塞密封件19，该活塞环形密封件优选由公知的“0”型环形密封 件组成。连接杆16的另一端通过螺纹连接被可调节地紧固到杆端16a，从而完成该汽缸组 件。图2示出了本发明的优选实施例的单模块的局部分解图。操作性地连接到摆动驱 动构件14上的活塞臂17的单轴向汽缸组件11将轴向曲柄销34连同固定的单轴向轴颈 34b围绕单推动曲柄35的轴转动。这些轴颈34b被以彼此之间的一个距离布置，以提供该
5曲柄销的稳定支撑。摆动驱动构件14被在柔性杆36上中心枢接，该柔性杆被锚定和牢固 地固定到摆动驱动构件14并且由框锚固件37支撑，以使该中心枢轴点位于该主曲柄轴上。 图1中描述了该中心枢轴装置的另一个实施例，其中采用了公知的万向节36a，而且从图中 能够看到它由支撑柱36b锚定到框壁10，并且被锚定到摆动驱动构件14。摆动驱动构件14 另外提供伸长的阀门杠杆39，该阀门杠杆基本上相对于伸长的活塞臂17以直角布置在摆 动驱动构件14的圆形平面的半径上，以用于阀门推杆40的致动。活塞杠杆17与阀门杠杆 39之间的联结驱动连接所涉及的几何结构确立了间歇阀门定时，其中流体到该汽缸以及从 该汽缸被交流，以实质上用于该活塞的全部进气冲程和全部排气冲程。根据本实施例的几 何结构，在该阀门的开启和关闭阶段，活塞运动被暂时中断。阀门推杆端部42可枢转地将 推杆与阀门轴杠杆41对齐。阀门轴32将杠杆41的旋转传递到阀门杆26。蒸汽送汽阀门组件12在该优选实施例的图3中进行了详细描述并且由阀门体12 组成，该阀门体提供用于到汽缸组件11和来自该汽缸组件11的流体的交流的三个端口。进 气端口 22和排气端口 23穿过回转管20可互换地将流体导入和导出汽缸端口 24。流体由 阀门杆26中的杆断流器25选择性导入和导出这些汽缸。该发动机的旋转方向可由这些进 气和和排气端口的反转来确定。部分地被旋转的断流器25的三个位置在图3中被示为进 气位置A、排气位置B和关闭位置C。阀门衬套27被提供给轴颈阀门杆26。旋转套筒节28 被可调节地拧入阀门体12内，从而提供用于旋转管20的可置换套筒。帽螺母29用作用于 旋转管20的定位件。“0”型环30进一步地密封以防止泄露。填隙垫圈31可调节地限制 “0”型环30的压缩。阀门轴32在发动机运行期间旋转阀门杆。图4中的阀门体12示出了如图3中的阀门断流器26的侧视图，其中该断流器的角 向布置的位置是将流体引入或引出一个端口，同时关闭流入和流出第二端口的流体流。阀 门轴32旋转该阀门杆。提供定位件槽26b用于定位件环(未示出)。图5示出了一个实施例，其中将四汽缸机器的阀门安排示为一种模块化机器的一 个配置，这种机器可以选择性地具有多个汽缸。该阀门安排的这种配置是可变的，并且可扩 展或收缩，以容纳汽缸尺寸和活塞冲程长度的广泛选择。阀门轴杠杆41被径向定位，总体 上与推杆40对齐，以实现与阀门轴杠杆39的适当联结(图1、2、6)。阀门12被以运行关系 安排，以用于每个汽缸的顺序定时。杠杆41由推杆40旋转。固定到杠杆41的轴32带动 施加阀门杆26使之部分旋转。衬套27用作轴32的横向支撑轴承21。图6示出了六汽缸机器的仰视局部视图。六个活塞臂17示出与六个阀门杠杆39 有关。进一步说明本发明的运行安排的两个汽缸组件11连同它们各自的附接的阀门12提 供顺序阶段的阀门和活塞定时。该优选实施例的每个阀门杠杆39的附接位置被沿着直角 的一个直角边D放置。沿着直角的另一个直角边E定位每个汽缸端口 24。汽缸端口 24的 位置和沿着直角边E的活塞臂17确定活塞冲程的长度。改变活塞冲程长度并不对阀门的 运行产生影响，其中该阀门会在沿着直角边E的任何所选位置的冲程的全部长度继续限制 性地打开。如图1、2、5和6所示，摆动驱动构件14上的这些活塞臂和阀门杠杆的相对直角 运行位置对于任何数量的汽缸都是适用的，且不限于机械阀门的致动。电子阀门开关的致 动是该优选实施例的另一种安排的实例。应当明白，根据本发明，至少有一至八个汽缸组件与本发明相关联，结合所示出的 实施例对一个、四个和六个汽缸实例进行了描述。虽然以上描述包含许多特异性，但这些特异性不应被解释为对范围的限制，而是应被解释为范围的一个实施例的例证。许多变化 是可能的。例如，汽缸可用玻璃、不锈钢、铜、陶瓷、碳纤维、铝或适合于特定运行所要求的压 力、温度和耐腐蚀性的任何物质制成。汽缸的大小可有选择性地被确定并且可具有不同的 功能。所有或选定数量的汽缸可起到提供泵和发动机的组合的功能。压缩空气、制冷剂或 其他相变流体可用作驱动流体。根据驱动流体和运行温度，活塞密封件可用多种材料制成， 如橡胶、碳纤维、聚四氟乙烯或金属。曲轴13可以是该发动机的构件，或者它可以是单独器 件的构件，这种单独器件如发电机、制冷剂泵或水泵。汽缸组件可被快速交换，以用于不同 的功率要求。该摆动驱动器可结合不同的枢转器件，如柔性杆或普通的万向节。结论和结果由于这些活塞的直线往复运动，本发明的前面描述的机器的部件组合已产生了在 这些汽缸与活塞之间具有减少的摩擦的模块化机器。所导致的在活塞上的侧力的消除避免 了重型活塞杆和活塞，并且允许使用“0”型环密封件替代金属环和严格的误差容限。对润 滑的要求也大大降低。在大多数情况下，在用作蒸汽发动机时，蒸汽起到足够的润滑作用。由于结构复杂性低，可容易地将本发明的发动机调整为大的或小的尺寸。随着汽 缸大小和数量的增加，功率与重量比变得较小。本发明中已经完全消除了典型的发动机块。 汽缸的热损失被容易地避免，因为单个的汽缸与发动机结构主体被隔离并且易于绝缘。与 这种机器相关联的低往复质量进一步提高效率。这种改进的机器提供轻型结构、简单性和 多功能性，从而导致与其他流体机器相比的经济的生产成本。
权利要求
一种轴向活塞机器，其中包括与控制阀门组件旋转连接的至少一个单作用汽缸组件；所述汽缸与所述阀门以枢转操作关系连接到摆动驱动装置，所述摆动驱动装置包括曲柄销、伸长的活塞臂和伸长的阀门杠杆；所述活塞臂和阀门杠杆作为一个单元运行，并且与所述摆动驱动装置的中心轴基本上成直角相对布置在所述摆动驱动装置上，因此所述安排的改进在所述汽缸内往复运行的活塞中确立直线运动，其中通过对进入所述汽缸和从所述汽缸出去的流体的间歇的定时节流以在主轴中提供旋转能量来往复运行该活塞。
2.根据权利要求1所述的机器，其中进一步包括a)旋转衬套节，所述旋转衬套节将所述汽缸组件枢接到所述控制阀门组件；b)位于汽缸内的牢固地紧固到连接杆的活塞；c)连接导杆装置，所述连接导杆装置垂直固定在所述汽缸的中心内用于将所述活塞与 所述汽缸的对齐，从而确立所述活塞在所述汽缸内的直线运动；以及d)连接杆端，所述连接杆端附接到所述连接杆并且枢接到所述活塞臂以引起所述摆动 驱动装置中的旋转。
3.根据权利要求1所述的机器，其中进一步包括a)装置，所述装置调节所述旋转衬套节以用于所述汽缸组件至所述阀门组件的旋转附接；b)具有三个端口的阀门体；c)横穿所述阀门体的阀门杆，所述阀门杆提供用于将流体弓丨导穿过所述三个端口的选 择控制装置；所述控制装置包括阀门杆断流器、阀门轴和阀门轴杠杆，所述阀门轴杠杆操作 性地连接到所述驱动装置上的所述伸长的阀门杠杆，因此所述阀门杠杆在所述驱动装置上 的间歇运动提供进入所述汽缸和从所述汽缸出去的流体的定时节流。
4.根据权利要求1所述的机器，其中包括a)紧固到中心轴主轴的单行程钟形曲柄；b)所述曲柄含有以预定距离布置的至少两个轴承以围绕所述主轴的轴线使曲柄销做 轴颈运动；所述曲柄销和所述轴承穿过所述做轴颈运动的钟形曲柄以与所述可旋转的主轴 所成的预定角度旋转性地安装；c)摆动驱动装置，所述摆动驱动装置操作性地连接所述曲柄销以确立枢轴中心；d)用于所述枢轴的支撑装置，所述支撑装置被布置在所述轴向活塞机器的端壁上的固 定中心轴点的主轴线上；e)至少一对所述伸长的活塞臂和所述伸长的阀门杠杆在所述摆动驱动构件上基本上 垂直附接；所述活塞臂基本上以直角布置到所述阀门杠杆，因此所述摆动驱动构件的摆动 作用导致活塞和阀门的协作间歇定时。
5.一种轴向活塞机器，其中包括多个单作用汽缸组件，所述组件包括确立直线活塞运 动的装置、以及与阀门组件的操作性相关安装所述汽缸的旋转节装置；所述阀门组件具有 用于节流进入所述汽缸和从所述汽缸出去的流体的控制装置，以在所述每个汽缸内往复运 行活塞，所述活塞和阀门操作性地连接到摆动驱动装置；所述摆动驱动装置包括支撑在所 述机器的中心轴上的中心枢轴、支撑以穿过做轴颈运动的钟形曲柄的预定角度可旋转地附 接到中心主轴的曲柄销的摆动驱动构件以及操作性地对应于每个阀门和汽缸组件的伸长 的活塞臂和伸长的阀门杠杆；所述臂和杠杆以基本上的直角相对布置在所述摆动驱动构件上以提供顺序运动，其中所述阀门和所述活塞的运动相互排斥；所述改进包括柔性的独立 汽缸组件，所述组件结合协作阀门杠杆和活塞臂的预定几何结构，其中所述安排以进入所 述汽缸和从所述汽缸出去的流体的定时的间歇节流在所述汽缸内往复运行的所述活塞中 确立直线运动，以提供旋转功率，并带有结构的经济性和减少的摩擦。
6.根据权利要求5所述的具有直线活塞引导装置的汽缸组件，其中包括a)所述旋转节，所述旋转节用于所述汽缸至所述阀门组件的柔性附接；b)牢固地紧固到活塞连接杆的活塞盘；c)垂直布置在所述汽缸的中心内的管架上的导管，以引导所述连接杆；以及d)将所述活塞枢接到所述摆动驱动装置的活塞杆端，因此在所述汽缸与所述活塞之间 操作性地确立对齐。
7.一种轴向活塞机器，其中包括多个单作用汽缸组件，所述组件通过旋转衬套节被连 接到阀门组件以使操作性地连接到中心固定摆动驱动装置的活塞做往复运动；所述摆动驱 动装置包括在所述机器的中心轴上的摆动驱动构件，曲柄销通过所述摆动驱动构件操作性 地以钟形曲柄中的预定的角度轴颈运动到主轴；所述曲柄销操作性地紧固到枢轴构件，所 述枢轴构件支撑对应于以成对协作关系的所述每个汽缸组件的伸长的活塞臂和伸长的阀 门杠杆；所述成对的臂和杠杆在所述摆动驱动构件上垂直附接、基本上以直角操作性地相 对布置在所述驱动构件上并且连接到所述阀门和活塞，因此所述安排的改进在所述活塞的 每个功率和排气冲程上确立进入所述汽缸和从所述汽缸出去的流体的间歇的定时节流，以 提供旋转功率，并带有结构的经济性和减少的摩擦。
8.根据权利要求7所述的单作用汽缸组件，其中进一步包括引导相对于所述汽缸的所 述活塞盘的活塞引导装置，从而使所述活塞以在所述汽缸内的直线运动而运行。
全文摘要
具有结合了汽缸至旋转控制阀门(12)的旋转节附件(28)的单作用汽缸(11)的一种轴向活塞流体发动机，其中确立了直线活塞运动以消除活塞(15)上的侧力。这些活塞(15)和控制阀门(12)被操作性地连接到一共用的摆动驱动构件(14)并且以杠杆位置的几何结构被安排以将进入这些汽缸和从这些汽缸出去的驱动流体的间歇地相互定时。
文档编号F01B3/00GK101910561SQ200980101659
公开日2010年12月8日 申请日期2009年6月19日 优先权日2008年9月8日
发明者罗伯特·格林 申请人:罗伯特·格林