CN100363602C - 内燃式机械与流体双元动力输出方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将由燃料燃烧产生的热能同时转换成旋转机械能和流体压力能并连续输出的内燃式机械与流体双元动力输出方法及其装置，主要由热能产生、向直线机械能转换并分流、直线机械能向流体压力能转换、能量输出等过程，在第一工作室完成热能向直线机械能转换，第二工作室完成直线机械能的分流，同时使一部分转换为流体压力能并输出，第三工作室完成直线机械能向旋转机械能的转换并输出，活塞-柱塞组件是本发明的核心，其承担能量分流和向流体压力能的转换工作，柱塞组件由多根围绕联接杆均匀分布的柱塞组成，跟随联接杆运动形成柱塞泵原理结构产生流体压力能，本发明一机多功能，双元动力输出，原理可靠，热效率高，用于双能量需求的场合。

Description

内燃式机械与流体双元动力输出方法及其装置

技术领域：

本发明涉及一种能量状态的转换与分流的方法及其装置，具体地说是一种通过内部分流，由热能直接转换成机械能与流体压力能并同时输出的内燃式机械与流体双元动力输出方法及其装置。

技术背景：

对于工程机械、军用车辆、矿山机械、农业机械、自卸汽车、水泥搅拌车等具有多作业功能的车辆和设备，或同时需要机械-流体双元动力，或变换地需要机械、流体两种动力之一。传统的方法是，首先通过活塞式内燃发动机将燃料热能转换为活塞的往复直线机械动力，由曲柄连杆机构将活塞的往复直线机械动力转换输出为旋转机械动力，而后将旋转机械动力经过若干中间环节如联轴器、离合器、变矩器、变速箱及皮带传动等，进行机械动力参数的变换，将动力传递给动力分配箱，通过动力分配箱将机械动力分为两路，一路直接为需要机械动力的应用系统(如驱动桥)提供机械动力，另一路经过柱塞泵的曲柄连杆机构或斜盘滑靴机构等将旋转机械动力转换为柱塞的往复直线机械动力，最后通过柱塞将其往复直线机械动力转换输出为流体动力，为需要流体动力的应用系统(如工作装置)提供流体动力(约占总动力的30％-60％)。

上述能量组合动力传动系统虽然实现了将热能转换输出为机械能、流体压力能的功能需求，但是由于系统中两套曲柄连杆机构的连杆摆动引起的活塞、柱塞侧向力巨大，不仅造成了机械效率损失，同时造成了活塞与缸壁、柱塞与缸壁之间的严重磨损及额外热负载；同时曲柄连杆机构的受力强度大，各铰接点处的摩擦损耗严重，系统运转的不均匀度大；最为严重的是由于系统能量转换、传递路线长，经过两套曲柄连杆机构、多个中间传递环节，并且动力分流在内燃机外部进行，造成了转换传递效率低，能量浪费严重，系统复杂、笨重，生产成本与运行成本高、污染严重等问题。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述能量组合动力传动系统转换传递效率低，能量浪费大，系统复杂、笨重，机件间磨损严重、受力强度大，系统运转不均匀度大等突出缺点，寻求设计一种通过内部分流，由热能直接转换成机械能与流体压力能，并同时亦可单独输出机械与流体双元动力的方法及其装置。本发明方法及其装置可以提供一种简单、高效、方便的可同时亦可单独输出机械能和流体压力能的动力装置。尤其是采用该方法使用的装置，对于整个系统来说，机件间磨损轻、受力强度小，系统运转不均匀度小，并大大简化设备结构，缩小设备体积，节约原材料，减少污染环节等。

为了实现上述发明目的，本发明的方法在含有活塞-柱塞组件的能量转换装置中完成，经过燃烧产生热能、热能向直线机械能的转换、直线机械能分流、直线机械能向流体压力能的转换、直线机械能向旋转机械能的转换及能量的输出等过程实现能量转换、分流并分别输出，先在第一工作室中经过进气、压缩、燃烧与膨胀、排气四个过程实现热能向直线机械能的转换；在第二工作室中，直线机械能通过活塞-柱塞组件的往复运动分流成两部分，实现缸内分流，其中一部分为第二工作室的工作能量，另一部分向第三工作室或第一工作室传递，第二工作室中的工作能量依据柱塞泵工作原理经过吸入流体、压出流体过程的工作循环实现直线机械能向流体压力能的转换并输出；传递到第三工作室的直线机械能经过活塞-柱塞组件与曲轴-飞轮组件的配合转换成旋转机械能并输出。

本发明装置的主体结构包括下列部件：第一工作室、第二工作室、第三工作室、曲轴箱体、气门挺杆、凸轮、正时大齿轮、流体进口阀、正时小齿轮、曲轴-飞轮组件、连杆、通气孔、滑块、联接杆、柱塞缸体、汽缸体、接油盘、联接板、活塞、气缸盖、活塞-柱塞组件、柱塞组件、密封圈、流体出口阀、曲轴箱盖，其中，曲轴箱体、曲轴箱盖、柱塞缸体、汽缸体与汽缸盖固连组成固定不动的内孔式装置壳体；汽缸盖、汽缸体、活塞组成第一工作室；柱塞缸体、柱塞组件、流体进口阀、流体出口阀组成第二工作室；滑块、连杆、曲轴-飞轮组件、曲轴箱体组成第三工作室；活塞、柱塞组件、滑块通过联接杆、联接板连接成活塞-柱塞组件；活塞-柱塞组件在汽缸体和柱塞缸体中可以往复运动，活塞-柱塞组件下端与连杆相连并与曲轴箱体构成移动副，形成滑动轴承支撑方式；活塞-柱塞组件与连杆、曲柄-飞轮组件组成直线与旋转运动状态转换的曲轴滑块机构。活塞-柱塞组件是本发明的核心技术，承担着直线机械能分流与向流体压力能转换的功能，活塞-柱塞组件制于主体壳体内中上部空间，并可上下自由滑动，活塞下部固连联接杆与联接板，联接板圆周方向均匀分布制有多根柱塞组件，跟随联接杆同步上下运动，构成柱塞泵结构，柱塞组件的运动使第二工作室中流体按柱塞泵原理形成高压流体并经流体出口阀输出流体压力能；在装置主体内的第二工作室一侧壳体上制有单向流体进口阀与第二工作室相通，另一侧制有单向压力输出的流体出口阀作为流体压力能的输出机构；活塞-柱塞组件的联接杆下端通过滑块、连杆与曲轴-飞轮组件配合组成机械能状态转换机构，使分流后传递到第三工作室的机械能转换为旋转机械能并输出。柱塞组件的数量及其直径根据分流能量值的要求而确定，即根据装置结构的大小和需要分流的比例确定，柱塞孔均匀分布在柱塞缸体上，与柱塞配合工作。

本发明的主要组件结构特征及工作原理如下。

(1)第一工作室即燃烧室。主要由汽缸盖、汽缸体、活塞组成，通过一个工作循环即进气、压缩、燃烧与膨胀、排气四个过程，活塞运动两个或四个行程，实现一次热能向直线机械能的转换。活塞运动两个行程实现一次能量转换的称为二冲程双元动力装置，活塞运动四个行程实现一次能量转换的称为四冲程双元动力装置，二冲程、四冲程双元动力装置第一工作室的组成及工作机理与传统二冲程、四冲程内燃发动机燃烧室类似，但由于去除了传统内燃发动机中连杆摆动引起的侧向力，活塞、活塞环与汽缸壁间的摩擦情况及机械效率大为好转。

(2)第二工作室即机械能量分流与流体压力工作室。主要由柱塞缸体、柱塞组件、流体进口阀、流体出口阀组成，通过一个工作循环即吸入流体、压出流体等过程，柱塞组件往复运动两个行程，实现直线机械能的分流及分流直线机械能向流体压力(液压、气压)能的转换与输出。

(3)第三工作室即回程与机械动力输出室。主要由滑块、连杆、曲柄、飞轮、曲轴箱等组成，通过曲柄连杆机构实现直线机械能与旋转机械能的相互转换，输出旋转机械能量，保证活塞—柱塞组件的连续往复运动，承担系统定时及辅助系统驱动工作。

(4)活塞—柱塞组件。主要由活塞、柱塞组件、联接板等通过联接杆联接而成。活塞—柱塞组件是第一工作室、第二工作室的组成部分，通过该组件实现热能向机械能和流体压力能的转换及分流。

(5)辅助系统。包括配气、燃料供给、润滑、冷却、启动(点火)、稳压及控制等系统，用于辅助、保证主机系统的工作，对外提供有效、适用的功率流。其结构组成及工作机理基本与传统内燃机辅助系统类似。

(6)汽缸盖、汽缸体、柱塞缸体和曲轴箱等组成装置的主体固定不动；活塞—柱塞组件在缸体中可以往复运动，活塞—柱塞组件下端与连杆相连，并与曲轴箱体构成移动副，形成滑动轴承支撑方式；活塞—柱塞组件与连杆、曲柄、飞轮组成一个可以转换直线与旋转运动并稳定运动速度的曲柄滑块机构；工作室与活塞—柱塞组件数量、柱塞数量及柱塞缸体结构形式可根据具体要求确定。

该双元动力装置主要技术特征在于一是将传统活塞式内燃机与流体柱塞泵技术集成，变传统内燃机单一机械动力输出为机械能与流体压力能双元动力输出，变传统可以输出双元动力的复杂能量组合动力传动系统为一简单双元动力装置；二是缸内动力分流技术，此技术不仅能够实现动力的分流，而且第二工作室的流体压力直接作用于活塞-柱塞组件，与高压燃气的部分压力抵消，使内燃机曲柄连杆机构的受力强度大大减弱，曲轴与各轴承之间的摩擦损耗明显减小，同时大幅度降低了系统的运转不均匀度，另外由于连杆摆动给活塞造成的侧向力转移到活塞-柱塞组件下端与曲轴箱体构成的移动副即滑动轴承上，从而大幅度减少了活塞与汽缸套间的磨损和功率消耗；三是第二工作室利用活塞-柱塞组件的往复运动直接将活塞—柱塞组件的分流机械能量转换为流体压力能量，减掉了传统能量组合动力传动系统中的两套曲柄连杆机构及所有中间环节，消除了由此带来的一切问题；四是可同时输出流体与机械双元动力，当双元动力输出端的一端输出功率为零时，该双元动力装置即转变为单元动力输出装置即直线内燃式流体泵或传统内燃发动机，当不需要机械能输出时，本发明的装置可作为纯流体动力源或流体泵源使用，当不需要流体压力能输出时，本发明的装置可作为纯机械动力源使用；五是根据工作性质及结构不同，该双元动力装置分为二冲程、四冲程、单缸、多缸等多种形式，燃料可为流体燃料如柴油、汽油等，亦可为气体燃料如天然气、煤制气、液化气等，根据需要可产生多种变型装置。

附图说明：

图1为本发明之装置的主体正面与侧面结构原理示意图。

图2为本发明实施例作为机械-液压双元动力装置使用的工程机械行驶(机械)与工作(液压)动力传动系统结构原理示意图

图3为本发明实施例作为内燃柱塞式水泵使用的高效能城市建筑给水系统结构原理示意图。

具体实施方案：

本发明装置主体结构的部件包括：第一工作室1、第二工作室2、第三工作室3、曲轴箱体4、气门挺杆5、凸轮6、正时大齿轮7、流体进口阀8、正时小齿轮9、曲轴-飞轮组件10、连杆11、通气孔12、滑块13、联接杆14、柱塞缸体15、汽缸体16、接油盘17、联接板18、活塞19、汽缸盖20、活塞-柱塞组件21、柱塞组件22、密封圈23、流体出口阀24、曲轴箱盖25。曲轴箱体4、曲轴箱盖25、柱塞缸体15、汽缸体16及汽缸盖20组成装置的主体固定不动；汽缸盖20、汽缸体16、活塞19组成第一工作室1；柱塞缸体15、柱塞组件22、流体进口阀8、流体出口阀24组成第二工作室2；滑块13、连杆11、曲轴-飞轮组件10、曲轴箱体4组成第三工作室3；活塞19、柱塞组件22及滑块13通过联接杆14、联接板18联接组成活塞-柱塞组件21；活塞-柱塞组件21在汽缸体16及柱塞缸体15中可以往复运动，活塞-柱塞组件21下端与连杆11相连，并与曲轴箱体4构成移动副，形成滑动轴承支撑方式；活塞-柱塞组件21与连杆11、曲轴-飞轮组件10组成一个可以转换直线与旋转运动的曲轴滑块机构。三个工作室与活塞-柱塞组件21的数量、柱塞组件22的柱塞数量及柱塞缸体15的结构形式、结构尺寸可根据设计要求确定。辅助系统包括配气、燃料供给、润滑、冷却、启动(点火)、稳压及控制系统，按常规工艺技术方法配置而成。活塞19运动二个或四个行程实现一次热能向机械能的转换，运动二个行程实现一次能量转换的称为二冲程双元动力装置，活塞运动四个行程实现一次能量转换的称为四冲程双元动力装置。该装置的整体工作原理与技术特征如下。

对于二冲程双元动力装置，第一行程，第一工作室1进行燃烧膨胀(做功)、换气过程，将热能转换为直线机械能，向活塞-柱塞组件21提供直线机械运动能量；活塞-柱塞组件21在直线运动能量作用下由上止点向下止点移动；第二工作室2首先进行直线机械能的分流，将活塞-柱塞组件21的直线机械能分为两路，第一路作为第二工作室2工作的能量，第二路作为向第三工作室3传递的能量，然后一方面通过活塞-柱塞组件21实现第二路分流直线机械能量向第三工作室3的传递，另一方面通过柱塞缸体15、柱塞组件22、流体进口阀8、流体出口阀24，并依据柱塞泵工作原理实现第一路分流直线机械能量向流体压力能的转换，完成高压流体的压出工作，此时流体进口阀8关闭，流体出口阀24开启；第三工作室3将活塞-柱塞组件21的分流直线运动转换为曲轴-飞轮组件10的旋转运动，并将该路的分流机械能量一是用于对外旋转机械能的持续输出，二是用于驱动辅助系统，三是用于活塞-柱塞组件21的其他行程的能量储备。第二行程，第三工作室3首先将曲轴-飞轮组件10的旋转运动转换为活塞-柱塞组件21的直线运动，向活塞-柱塞组件21提供惯性直线机械能量，同时持续进行对外旋转机械能的输出及辅助系统的驱动工作；活塞-柱塞组件21在惯性直线机械能量作用下由下止点向上止点移动；第二工作室2首先进行惯性直线机械能的分流，将活塞-柱塞组件21的惯性直线机械能分为两路，第一路作为第二工作室2工作的能量，第二路作为向第一工作室1传递的能量，然后一方面通过活塞-柱塞组件21实现第二路分流直线机械能量向第一工作室1的传递，另一方面通过柱塞缸体15、柱塞组件22、流体进口阀8、流体出口阀24，并依据柱塞泵工作原理实现第一路分流直线机械能量向流体压力能的转换，完成低压流体的吸入工作，此时流体进口阀8开启，流体出口阀24关闭；第一工作室1在分流惯性直线机械能量作用下进行换气、压缩过程，为下一循环的燃烧膨胀(做功)做准备。这样就实现了二冲程双元动力装置一个完整的热能向机械能和流体压力能转换并输出的循环，如此周而复始。

对于四冲程双元动力装置，第一行程，第一工作室1进行燃烧膨胀(做功)过程，将热能转换为直线机械能，向活塞-柱塞组件21提供直线机械能量；活塞-柱塞组件21、第二工作室2、第三工作室3工作过程与二冲程双元动力装置第一行程相同。第二行程，活塞-柱塞组件21、第二工作室2、第三工作室3工作过程与二冲程双元动力装置第二行程相同，第一工作室1在分流机械能量作用下进行排气过程。第三行程，第三工作室3将曲轴-飞轮组件10的旋转运动转换为活塞-柱塞组件21的直线运动，向活塞-柱塞组件21提供惯性直线机械运动能量，同时持续进行对外旋转机械能的输出及辅助系统的驱动工作；活塞-柱塞组件21在惯性直线机械能作用下由上止点向下止点移动；第二工作室2首先进行惯性直线机械能的分流，将活塞-柱塞组件21的惯性直线机械能分为两路，第一路作为第二工作室2工作的能量，第二路作为向第一工作室1传递的能量，然后一方面通过活塞-柱塞组件21实现第二路分流直线机械能量向第一工作室1的传递，另一方面通过柱塞缸体15、柱塞组件22、流体进口阀8、流体出口阀24等，依据柱塞泵工作原理实现第一路分流直线机械能向流体压力能的转换，完成高压流体的压出工作，此时流体进口阀8关闭，流体出口阀24开启；第一工作室1在分流惯性直线机械能量作用下进行吸气过程。第四行程，活塞-柱塞组件21、第二工作室2、第三工作室3工作过程与第二行程相同，第一工作室1在分流直线机械能量作用下进行压缩过程，为下一循环的燃烧膨胀(做功)做准备。这样就实现了四冲程双元动力装置一个完整的热能向机械能和流体压力能转换并输出的循环，如此周而复始。

实施例1：本发明装置作为机械一液压双元动力装置使用的工程机械行驶(机械)与工作(液压)动力传动系统

在本发明涉及的能量转换装置主体结构26上，采用常规技术方法配装燃料供给系统35、冷却系统36、润滑系统37、点火(启动)系统38，将曲轴-飞轮组件10按现有技术工艺与液力变矩器31、机械变速箱32、驱动桥33、半轴及车轮34等相连接，构成工程机械行驶动力传动系统，驱动车辆行驶；将流体出口阀24的输出端按现有技术工艺与工作液压缸27、工作液压马达28、液压储能器29、限压安全阀30等相连接，构成工程机械工作装置动力传动系统，驱动工作装置工作。形成图2所示的工程机械行驶(机械)与工作(液压)动力传动系统。

实施例2：本发明装置作为内燃柱塞式水泵使用的高效能城市建筑给水系统结构原理示意图。

在本发明涉及的能量转换装置主体结构26上，采用常规技术方法配装燃料供给系统35、冷却系统36、润滑系统37、点火(启动)系统38，按现有技术工艺将流体进口阀8的输入端与进水开关阀39、水滤器40等相连接，将流体出口阀24的输出端与限压安全阀41、高位储水器42、用户开关总阀43、用户开关分阀44等相连接，在系统中加装水位传感器45及控制柜46等构成高效能城市建筑给水系统，根据居民用户需求对外提供稳定、适用的水压流。

Claims (7)

1.一种内燃式机械与流体双元动力输出方法，经过燃烧产生热能、热能向直线机械能的转换、直线机械能分流、直线机械能向流体压力能的转换、直线机械能向旋转机械能的转换及能量的输出等过程实现能量转换和分流并分别输出，其特征在于在含有活塞-柱塞组件的能量转换装置中完成，先在第一工作室中经过进气、压缩、燃烧与膨胀、排气四个过程实现热能向直线机械能的转换；在第二工作室中，直线机械能通过活塞-柱塞组件的往复运动分流成两部分，实现缸内分流，其中一部分为第二工作室的工作能量，另一部分向第三工作室或第一工作室传递，第二工作室中的工作能量依据柱塞泵工作原理经过吸入流体、压出流体过程的工作循环实现直线机械能向流体压力能的转换并输出；传递到第三工作室的直线机械能经过活塞-柱塞与曲轴-飞轮组件的配合转换成旋转机械能并输出。

2.根据权利要求1所述的内燃式机械与流体双元动力输出方法，其特征在于第一工作室活塞运动二个或四个行程实现一次热能向机械能的转换。

3.根据权利要求1所述的内燃式机械与流体双元动力输出方法，其特征在于第三工作室将分流直线运动转换成旋转运动，并将机械能分别用于对外旋转机械能的持续输出、驱动辅助系统和其他行程的能量储备。

4.一种内燃式机械与流体双元动力输出装置，其特征在于曲轴箱体、曲轴箱盖、柱塞缸体、汽缸体与汽缸盖固连组成固定不动的内孔式装置壳体；汽缸盖、汽缸体、活塞组成第一工作室；柱塞缸体、柱塞组件、流体进口阀、流体出口阀组成第二工作室；滑块、连杆、曲轴-飞轮组件、曲轴箱体组成第三工作室；活塞、柱塞组件、滑块通过联接杆、联接板连接成活塞-柱塞组件；活塞-柱塞组件在汽缸体和柱塞缸体中可以往复运动，活塞-柱塞组件下端与连杆相连并与曲轴箱体构成移动副，形成滑动轴承支撑方式；活塞-柱塞组件与连杆、曲柄-飞轮组件组成直线与旋转运动状态转换的曲轴滑块机构。

5.根据权利要求4所述的内燃式机械与流体双元动力输出装置，其特征在于制于主体壳体内中上部空间的活塞-柱塞组件可上下自由滑动，承担着直线机械能分流与向流体压力能的转换功能，活塞下部固连联接杆与联接板，联接板圆周方向均匀分布制有多根柱塞组件，跟随联接杆同步上下运动，构成柱塞泵结构。

6.根据权利要求4所述的内燃式机械与流体双元动力输出装置，其特征在于第二工作室一侧壳体上制有单向流体进口阀与第二工作室相通，另一侧制有单向压力输出的流体出口阀作为流体压力能的输出机构。

7.根据权利要求4所述的内燃式机械与流体双元动力输出装置，其特征在于柱塞组件的数量及其直径根据分流能量值的要求确定。

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