专利名称：多缸直线排列发动机压缩机的缓冲室的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于压缩气体的自由浮动活塞式多级发动机压缩机。在某些应用场合里，这些压缩机被用于压缩气体，通过几级压缩，把压缩机吸气侧的某一变化着的压力压缩到某一显著变化着的排气压力。在一种三级压缩机里，吸气压力可在15和30磅/吋2之间变化，而排气压力则在2000和3600磅/吋2之间变化，这就要求压缩机以低至67∶1到高至240∶1的压缩比工作。这可使发动机部分和压缩机部分之间的能量平衡和发动机压缩机机组的动力冲程和返回冲程之间的功平衡产生了明显的差额。
平衡这些能量和功的问题是相当头痛的，因为在变化的进、排气压力下在第一级压缩机上所作的压缩功可按显著不同于第二级和任何随后级的变化率来变化。
除了这些特殊的问题之外，还有多级压缩机的基本问题，不管它们是属于自由振荡活塞式或是属于驱动曲轴式，都有通过压缩机活塞端面的配置来使最大气体压力保持最小的问题。在曲轴驱动式压缩机内，一级或多级压缩机的活塞端面积通常被等分为二部分，活塞端面和它们相应的最大压力的乘积的矢量和被配置成零以使机器的最大应力和最大轴承负荷保持最小。在自由浮动活塞式压缩机内，各种力和在活塞上或通过活塞所作的功的平衡可能比它们的绝对值更重要，其中给定的功平衡受各别活塞端面的选择和位置的影响。这在该种机器的缓冲室内可能会产生过大的压力，要不要求多于一个缓冲室，或者甚至要求多于一个发动机/压缩机活塞组件，使这种发动机/压缩机在其整个的压力和负荷范围内，并且最好用多种不同的气体满意的运转。
已经提出了许多种不同的解决方案来处理这些复杂的问题。例如在美国专利第2，241，957号中，提出设置二个分离的相对运动的内燃机或发动机活塞组件，其中一个装有一个蓄能器或平衡活塞，而另一个装有全部压缩机活塞，它们的非作用面(背面)中至少一个承受高于大气压的压力，它们的非作用面作为辅助的蓄能器，每一蓄能器为其相应的压缩机部分提供平衡功。
本发明的主要目的是要提供一种紧凑坚固的多级发动机压缩机，使其部件数量最少并适于在整个宽广的运转工况范围内运转，并适合许多不同的应用场合而无须改变其主要部件。在这种压缩机内仅需要一个发动机活塞。
本发明更为特殊的目的是要提供一种自由活塞式多级发动机压缩机，它需要少量的部件，尺寸较平常为小，并在显著改变进、排气压力和压力比的情况下，适于使发动机或动力部分保持接近最佳运转工况。
本发明的另一个目的是要提供一种发动机，使其在部分负荷工况下接近最佳工况运转。
本发明的再一个目的是要提供一种压缩机，它不要求一种窄的活塞外形和气缸结构以满足各种工况或应用场合，但只要求稍微改变控制元件，诸如小控制活塞和/或弹簧的直径。
在阅读本发明优先实施例的下例论述时，本发明的上述和其它的目的会变得更为明显。
图1是本发明的简略的外观;
图2至图6是发动机部分，缓冲室部分、第一压缩部分、第二压缩部分和第三压缩部分的压力-冲程图;
图7是连于负缓冲室的控制装置的放大视图。
为要达到本发明的主要目的，设置了壳体和单体往复运动活塞组件2，其上装置着发动机或动力活塞3，通过活塞杆4、活塞3和阶梯活塞式单体压缩机活塞组件5直接相互连接。
在本发明的优先实施例中，阶梯活塞压缩机的整个压缩机级是单作用的，并且在同一方向上作用，压缩机活塞组件的唯一起作用的背面是处于唯一的蓄能器或缓冲器部分内，并且最好是第一级压缩机活塞的背面。在动力和返回冲程内，它按相反方向作用，以形成功平衡，为使发动机或动力部分处于或接近其最佳运转工况运转，这是必要的。
在图1中，简略地表示一台三级发动机压缩机的优先实施例。在图2至图6中，表示了相应于发动机部分、缓冲器和3个压缩级的压力-冲程图，用它们的相应的曲线下面的面积来代表动力和回返行程内每一部分的相对功，出于清晰起见，已经忽视了摩擦功和帚气功。返回行程期间各部分的功是用虚线下面的面积来表示的，而动力冲程期间各部分的功是用实践下面的面积表示的。为了按希望那样操作发动机压缩机，发动机或动力部分必须以某一压缩比工作，这取决于左方座标的位置，右方座标是由所希望喷入发动机的燃料输入量和压缩机的进、排气压力所决定的。动力和返回行程相同是通过在平衡或缓冲部分提供适当的压力来达到，在动力和回返行程内，其绝对功基本相等。
在活塞组件回程期间，这一合适的缓冲压力必然使图3曲线图上实线下面的面积等于4、5、6曲线图上虚线下面的面积总和与图2的虚线下面的面积之差。同样，处于活塞组件的动力冲程期间，和处于发动机压缩机稳态运转期间，在图3中缓冲室压力图的实线下面的同样的面积必将等于图2曲线图的实线下面的面积与图4、5、6中曲线图的实线下面的面积总和之差。
考虑到不同的气体，不同的进、排气压力值和压力比以及部分负荷要求，以及不同的发动机压缩机的级数，可以用不同的方式，从不同的部分，或者甚至从大气中供给一适当的缓冲室压力。同样，为了获得最理想的结果，可选择相应的活塞直径和压缩机余隙容积，以便取得最理想的总特性。
一种这样的发动机压缩机示于本发明的附图中，本发明的发动机压缩机用于把自然气体由变化于15-30绝对压力磅/吋2(Psia)的进气压力压缩到变化于2000-3600绝对压力磅/吋2(Psia)的排气压力，作为对压缩自然气体(CNG)的气缸充气，用于靠自然气体作为燃烧剂运行的车辆，使这种发动机压缩机在上述整个压力范围内，以基本上相等的和最佳的发动机压缩比运转，并使缓冲室中的最大缓冲室压力保持在和第一级充气压力非常接近的范围内，这是可能的，这是一种类似于双作用压缩机级中的工况的有效工况。这些理想的结果是用图1和图7中比较简单的控制系统来获得的，其中来自第一级排气侧的少量气体控制流经一导管或通道6，经量孔7和单的阀8流入负压缓冲室9，通过控制装置10在缓冲室内保持其最大压力，该控制装置10由来自气体压力源的气体操作，例如，若愿意的话，从第二级的排气侧经导管11可把多余的控制气体泄到大气，或排入吸气或进气管路或导管到腔室5d。阀10A响应缓冲室9内的压力和管路11与14内的第二压缩级的排气压力之间的压差，缓冲室中的压力，随管路11内的压力提高而提高，随管路11内的压力降低而降低。
在运转中，当发动机把活塞3驱动到图1中所示的右方位置时，活塞5a迫使气体从腔室5d经输出单向阀、管路6、量孔件7和单向阀8进入缓冲室9，同时通过一支路12、气体冷却器13和进气单向阀进入第二级压缩室5e。与此同时，气体从腔室5e，经输出单向阀，管路11被驱入到控制装置10。在图7中该控制装置10具有一阀10a，该阀根据第二级排气压力自动地限定负压缓冲室9中的最大压力，因此当第二级压力提高时，便提高负压缓冲室的压力。当第二级压力降低时便降低负压缓冲室的压力。两弹簧10d和10c可以调整，以使该装置增大或缩小压缩机内压力平衡的偏置。同时，气体自腔室5e经支路14和气体冷却器15流到第三级压缩室5f。
按照本发明制造的一台3级发动机压缩机样机的正常流量在每分钟仅约1000循环的安全速度下处于20至35每分钟标准立方呎数，取决于发动机是采用汽化呢还是燃料喷射，机器的尺寸是18″×20″×80″，其重量大致600-700磅。压缩机压缩自然气体的能量消耗比最广泛应用的和商用的机组低30%，其价格相当低。可比较的仅单级型的自由活塞发动机显然要复杂得多，重量至少大3倍，并且制造费用要高得多。一台这种型式的3级压缩机其重量和价格将要高得多。
虽然上述本发明已通过试验被证实是一种实用、结实，价廉和效益好的压缩机，然而应当充分理解到，部件的结构、配置和形式可以改变而不违反包含在附加的权利要求范围内的原理。尤其是，该发动机压缩机可装备例如在我的美国专利3，853，100号中阐明的并在该专利的图3中采用的一种平衡机构，或可包括其它的元件，而不违背本发明的精神。
权利要求
1.一种用于驱动多级压缩机的自由活塞内燃机的缓冲室组合体，其中包括许多共轴的压缩机活塞，它们处于许多压缩机汽缸内，从而至少形成了第一和第二级气体压力腔；包括形成一种被控制和限制而恒定气流的装置，该气流在某一汽缸中从某个压力腔流到负压缓冲腔；包括一个处于由压缩机运转产生的不同气体压力源间的气流通道；还包括各种控制装置，根据不同气体压力源中的压力变化来可变地控制缓冲室外的气流。
2.按权利要求1规定的一种缓冲室组合体，其中该控制装置还可变地响应所述缓冲室中的变化压力。
3.按权利要求1或2规定的一种缓冲室组合体，其中所述缓冲室处于和第一级压力腔相反的第一级压缩机活塞的一方。
4.按上述任一项权利要求中所规定的一种缓冲室组合体，其中所述压缩机具有多于2级的压缩机腔室和活塞。
5.按上述任一权利要求所规定的一种缓冲室组合体，其中所有压缩机活塞直接连接于发动机中的活塞。
6.按权利要求4或5所规定的一种缓冲室组合体，其中所述气体压力源是其它的或辅助的压缩机压力腔的气体压力源。
7.按上述任一权利要求所规定的一种缓冲室组合体，其中所述控制装置是一种阀，该阀载有弹簧偏压和来自气体源的气体压力方向相反。
8.按上述任一权利要求所规定的一种缓冲室组合件，其中有一个来自缓冲腔的泄流管路，受上述控制装置控制，而所述发动机是单动力冲程发动机。
9.按上述任一权利要求所规定的一种缓冲腔组合件，其中只有一个缓冲腔。
10.在一种能连接于一动力源的多级压缩机内，包括一活塞杆，它的一端将压缩机连接于动力源，它的另一端连接于一阶梯活塞，该阶梯活塞至少包括三个不同直径的活塞部分，而至少其中的二个活塞是单面加工的活塞，并且仅仅最大直径的活塞是双面加工的，其中所有单面加工活塞和双面加工活塞的一面被用作单作用压缩机活塞，而双面加工活塞的另一面被用作缓冲腔活塞端面;还包括在双面加工活塞相对两端的气体腔间形成一个可控的，恒定的和限定的气流连通装置;还包括用以控制在具有所述另一端面的腔室外部的气流的装置。
11.按权利要求10所规定的组件，其中所有压缩机级在所述动力源的单动力冲程期内将完成其压缩和排气功。
全文摘要
本发明是一种多级压缩机，在一阶梯形气缸内装有一阶梯活塞，通过一共轴连杆连接于发动机的活塞。在一通道或导管内的控制装置从压缩机的第2或第3级排气源或任何其它压力源延伸到单个缓冲腔，对缓冲腔的压力产生响应，以提高或降低所述腔内的气体压力，以平衡作用于相反方向的能量和功，为压缩机在各种变化压力下提供最佳运转。
文档编号F04B3/00GK1030813SQ8710496
公开日1989年2月1日 申请日期1987年7月18日 优先权日1987年7月18日
发明者安东·布朗 申请人:安东·布朗