CN101280722A - 一种多能源直轴混合动力发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多能源直轴混合动力发动机,属于发动机技术领域。包括发动机、转换器和电动发动机,发动机、转换器和电动发动机依次相连。本发动机与已有技术相比,对能源的要求低,可用能源广泛。整机结构精巧,运行噪音低,清洁卫生,安装灵活,维护方便。其外观为圆柱形,多个圆柱可以灵活组合,串联、并联、星形连接或立体堆积等,成为发动机阵列,使发动机得到任意功率。本发动机适用范围更广,可以用于各种交通工具、建筑机械、矿山等,如用在车辆上,可以并联或串联放在车架下方,甚至车轴上,大大节约了车辆空间,降低了车辆重心、提高了车辆的平衡性能和运载效率。

Description

一种多能源直轴混合动力发动机
[0001] 技术领域
[0002] 本发明涉及一种多能源直轴混合动力发动机,属于发动机技术领域。
[0003] 背景技术
[0004] 现有的发动机,包括往涡轮喷气发动机(燃气轮机),往复活塞式发动机,三角转子等发动机。其中,涡轮喷气发动机(燃气轮机)功率大,体积大,燃料消耗量也大,在民用工业上使用不够灵活,仅能在大型机械设备(喷气飞机、发电站、轮船等)上普及使用,限制了其使用空间。复活塞--连杆--曲轴动力输出结构,凸轮轴气门换气机构机械震动大,噪音大,效率低,发动机的总热能转换效率不超过30%。这种结构的发动机技术已发展到极至。汪克尔三角转子式内燃机,其转子活塞及气缸制造工艺复杂,发动机运行耐久性差,功率受到限制。
[0005] 现有往复活塞发动机热能与机械能转换输出结构——汽缸-活塞-连杆-曲轴结构有结构复杂,运行不稳,功率受限,体积较大的缺点,即由曲轴转动和连杆摆动造成的大震动,引起的偏塞,汽缸密封不严,功率降低的缺点,连杆-曲轴结构运转空间大引起内燃机机体占用空间大的缺点,多活塞气缸时,虽然汽缸活塞可进行直列、对置、V形、W形排列,但多缸时,内燃机体积变大,而且曲轴过长,会由于输出端飞轮负荷扭力的作用将曲轴径向扭转,各缸活塞与凸轮轴气门结构的运行会协调不一,内燃机运转不稳定,震动剧烈,因此曲轴的长度受到限制,汽缸活塞的数量受到限制。连杆-曲轴结构的内燃机在其体积受限的情况下,有不宜制造更大功率发动机的缺点。活塞-连杆-曲轴结构运转质量大,机械能消耗大。机壳的一体化结构决定了气缸的数量,限制了内燃机的功率或制作更大功率的发动机。
[0006] 近年来,人们对矿物能源煤、石油、天然气的消耗量越来越大,CO2、CO、NOx、CH等有害气体排放量越来越大,对大气环境造成污染,温室效应越来越严重。当今,节能环保成为世界的主题,加之燃料价格不断上涨,所以更应提高燃料热利用率,减少环境污染。
[0007] 人们对制氢储氢技术的进步,制造生物能源的技术的提高,给发动机提供了新型的清洁能源,给发动机提供了更加广阔的发展空间。随着人们对新能源的开发利用,各种蓄电池、燃料电池、高效太阳能电池相继开发研究出来,解决了电动机的能源问题,电动机体积小,效率高,环境污染小,应用灵活,优势明显,有着广阔的发展前景。
[0008] 发明内容
[0009] 本发明的目的是提出一种多能源直轴混合动力发动机,改进已有发动机的结构,使发动机的结构模块化、分单元组装,而且结构简单。可以多机任意组合成为串、并联结构,以组成任意功率的发动机,使用多种现有的气体和液体燃料燃烧或电能做功。
[0010] 本发明提出的多能源直轴混合动力发动机,包括发动机、转换器和电动发动机,发动机、转换器和电动发动机依次相连。
[0011] 上述多能源直轴混合动力发动机中,所述的发动机包括外壳、内壳、空气滤清器、节气门、废气涡轮、冷却液循环涡轮、电动机、压气涡轮、中冷器、液压臂、汽缸套、汽缸盖、活塞、输出轴、冷却液温度补偿活塞、冷却液温度补偿弹簧、换热器、蒸汽涡轮、导流叶片、散热器、润滑油滤清器、润滑油温度补偿活塞、润滑油温度补偿弹簧、冷却液循环管、空气循环管、废气循环管和真空腔;
[0012] 所述的空气滤清器和节气门同轴固定在发动机前口外壳中心线上,废气涡轮、冷却液循环涡轮、电动机、压气涡轮、中冷器、液压臂、汽缸套、汽缸盖和活塞从左至右依次同轴固定在内壳一边的中心线上;中冷器与汽缸盖之间形成高压气室,液压臂置于高压气室内,液压臂的活塞与汽缸盖相连;所述的汽缸盖和活塞置于汽缸套内,活塞外表面设有半圆凹槽,汽缸套上开有钢球固定孔,活塞与汽缸套通过钢球相互联动,汽缸盖为一涡轮,汽缸盖内部设有电磁进气门,活塞为一涡轮,活塞内部设有排气门,活塞与汽缸盖之间形成燃烧室;
[0013] 所述的输出轴固定在内壳另一边的中心线上,输出轴与活塞之间形成润滑油腔,输出轴的端部插入活塞内;所述的冷却液温度补偿活塞、换热器、蒸汽涡轮、导流叶片、散热器、润滑油滤清器和润滑油温度补偿活塞从左至右依次同轴固定在输出轴上,冷却液温度补偿弹簧置于冷却液温度补偿活塞与换热器之间,润滑油温度补偿弹簧置于润滑油温度补偿活塞与外壳端部之间;
[0014] 所述的内壳置于外壳内,内壳和外壳之间由内向外依次布置有冷却液循环管、空气循环管和真空腔,废气循环管沿圆周均布在冷却液循环管和空气循环管之间。
[0015] 上述多能源直轴混合动力发动机中,所述的转换器包括第一轴、第二轴、第三轴,内啮合套、外啮合套、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第一制动器、第二制动器、前行星齿轮、后行星齿轮、第一轴齿圈固定盘、第三轴齿圈固定盘和第一轴内液压油管;
[0016] 所述的第一轴、第二轴、内啮合套和外啮合套同轴固定在外壳的中心线上,内啮合套位于外啮合套内;
[0017] 所述的内啮合套为工字形,中间为细管,两端为粗管,细管的中央设有隔板,内啮合套的两端粗管内壁圆周上设有轮齿,细管一端的内壁上设有花键,第一轴和第二轴分别从两端伸入内啮合套内,置于隔板的两侧,第一轴的端部与隔板之间形成液压油腔,第一轴内设有液压油管,液压油管与第四电磁阀相连通,第二轴的端部设有花键,该花键与内啮合套细管内壁上的花键相互啮合;
[0018] 所述的外啮合套与第一轴和第二轴同轴安装在外壳的中心线上,外啮合套为工字形,中间为细管,两端为粗管,外啮合套的两端粗管内壁分别设有宽齿和窄齿,宽齿在外侧,窄齿在内侧,第二电磁阀置于外啮合套两个粗管之间;
[0019] 所述的第一轴上设有齿圈和齿圈固定盘,前行星齿轮安装在第一轴齿圈固定盘的一侧,前行星齿轮的内侧与第一轴上的齿圈相互啮合,并位于外啮合套的一端粗管内,前行星齿轮外侧与外啮合套一端粗管内壁上的宽齿相互啮合,第一轴齿圈固定盘上设有外啮合齿圈和内啮合齿圈,外啮合齿圈与外啮合套一端粗管内壁上的窄齿相互啮合,内啮合齿圈与内啮合套一端粗管内壁上的轮齿相互啮合;
[0020] 所述的第三轴上设有齿圈和齿圈固定盘,后行星齿轮安装在第三轴齿圈固定盘的一侧,后行星齿轮的内侧与第三轴上的齿圈相互啮合,并位于外啮合套的另一端的粗管内,后行星齿轮外侧与外啮合套另一端粗管内壁上的宽齿相互啮合,第三轴齿圈固定盘上设有外啮合齿圈和内啮合齿圈,外啮合齿圈与外啮合套另一端粗管内壁上的窄齿相互啮合,内啮合齿圈与内啮合套另一端粗管内壁上的轮齿相互啮合;
[0021] 所述的第二轴穿入第三轴,第三轴与第二轴成滑动配合,第二轴端部的花键插入内啮合套另一端的细管内,与内啮合套细管内壁上的花键相互啮合;
[0022] 所述的第一电磁阀通过第一制动器与前行星齿轮联动,第三电磁阀通过第二制动器与后行星齿轮联动。
[0023] 上述多能源直轴混合动力发动机中,所述的节气门包括步进电机、驱动齿轮、驱动齿套、叶片、叶片轴和叶片支架;所述的步进电机安装在壳体内,所述的叶片有6~18个,所述的驱动齿轮的数量与叶片的数量相等,驱动齿轮沿圆周均布,置于驱动齿套内,并与驱动齿套上的内齿相互啮合,驱动齿轮与叶片同轴安装在叶片轴上,叶片轴固定在叶片支架上,叶片支架通过固定螺钉固定在壳体上;所述的步进电机与任意一组同轴安装的驱动齿轮和叶片同轴安装。
[0024] 本发明提出的多能源直轴混合动力发动机,其优点是:
[0025] 1、发动机整机为模块化结构,结构简单,使用灵活,便于组装检修,提高功率,可以达到双机串/并联、多机串并/连、多机立体并连捆绑、多机组立体堆积组成发动机阵列,活塞-涡轮-驱动轴直轴结构可以制造不同功率的发动机,而且结构紧凑,体积较小。
[0026] 2、发动机的重量小,减少了机械损失,使发动机运转更安静、平稳,节省燃料,提高功率。
[0027] 3、本发动机中,用电磁气门代替了传统发动机中横置凸轮轴进排气机构,使发动机的结构更紧凑,机件更少,节省了材料,减轻了发动机重量,整机做得更小、更灵活,同时减少了震动,降低了噪音。
[0028] 4、本发动机中活塞的轴向长度变长,在汽缸内的导向性更好,活塞在汽缸内做旋转运动,活塞壁与汽缸壁各点磨察均匀,缸壁与活塞密封更好,因此防止了汽缸内高压气体挤进废气室,避免了由于活塞滑动局部磨损造成的漏气而导致功率下降。即使有废气进入废气室也可以与废气汇合排出。
[0029] 5、本发动机中,由于在活塞中有排气涡轮,使得排气过程也做功,热能与机械能转换效率更高,同时,在活塞运行到上下止点的过程中,废气驱动活塞旋转,避免了活塞在上下止点不做功的现象,使活塞顺利通过上下止点,发动机运转更稳定。活塞长度变长,废气经过涡轮的时间长,可以更好地利用排气动能,提高发动机功率和热利用效率。同时,活塞废气涡轮的使用保证了活塞在排气和压缩时需要的机械能,无须传统发动机中惯性飞轮的辅助,减轻了发动机质量。
[0030] 6、本发动机中,钢球将活塞支撑悬浮在气缸内做往复旋转运动,活塞轴向自平衡稳定,活塞运转平稳,并防止了偏塞。
[0031] 7、本发动机中的汽缸盖可以轴向移动,改变燃烧室的容积,从而改变燃料的压缩比。而且汽缸盖和活塞的气门升程可变,使得发动机可以使用各种燃料,如汽油、柴油、天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、二甲醚、氢气等。
[0032] 8、电动发电机可使用充电电池、超级电容器、燃料电池、太阳能电池供电。转换器将发动机与电动发电机结合,对机械能进行调节转换组成混合动力多种能源发动机。电机既是发动机的起动机,又是发电机、电动机,所以该机为理想的机械能转换装置。
[0033] 综上所述,本发动机与已有技术相比,对能源的要求低,可用能源广泛。整机结构精巧,运行噪音低,清洁卫生,安装灵活,维护方便。其外观为圆柱形,多个圆柱可以灵活组合,串联、并联、星形连接或立体堆积等,成为发动机阵列,使发动机得到任意功率。本发动机适用范围更广,可以用于各种交通工具、建筑机械、、矿山等,如用在车辆上,可以并联或串联放在车架下方,甚至车轴上,大大节约了车辆空间,降低了车辆重心、提高了车辆的平衡性能和运载效率。
[0034] 附图说明
[0035] 图1是本发明提出的多能源直轴混合动力发动机的模块结构图。
[0036] 图2是本发明提出的多能源直轴混合动力发动机中发动机的结构示意图。
[0037] 图3是图2的A-A剖面图。
[0038] 图4是图2的B-B剖面图。
[0039] 图5是图2的C-C剖面图。
[0040] 图6是图2的D-D剖面图。
[0041] 图7是图2的E-E剖面图。
[0042] 图8是图2的F-F剖面图。
[0043] 图9是图2的G-G剖面图。
[0044] 图10是图2的H-H剖面图。
[0045] 图11是图2的I-I剖面图。
[0046] 图12是图2的J-J剖面图。
[0047] 图13是图2的K-K剖面图。
[0048] 图14是图2的L-L剖面图。
[0049] 图15是本发明提出的多能源直轴混合动力发动机中转换器的结构示意图。
[0050] 图16是转换器中外啮合套的结构示意图。
[0051] 图17是转换器中内啮合套的结构示意图。
[0052] 图18是本发明提出的多能源直轴混合动力发动机中节气门的结构示意图。
[0053] 图19是图18的A-A向剖视图。
[0054] 图20是图18的B向视图。
[0055] 图2~图14中,101是外壳,102是进气总管,103是节气门,104是废气涡轮,105是冷却液循环涡轮,106是电动机,107是压气涡轮,108是中冷器,109是气体燃料进口,110是液压臂,111是汽缸盖,112是电磁进气门,113是液体燃料进口,114是电磁排气门,115是活塞,116是汽缸套,117是废气室侧向开口,118是冷却液室,119是冷却液温度补偿弹簧,120是换热器,121是蒸汽涡轮,122是导流叶片,123是散热器,124是润滑油腔,125是润滑油温度补偿弹簧,126是输出轴,126-1是输出轴中的润滑油管,127是润滑油温度补偿活塞,128是润滑油滤清器,129是输出轴滑动轴套,130是输出轴导向管,131是冷却液温度补偿活塞,132是废气室,133是润滑油泵内腔,134是钢球、135是燃烧室,136是内壳,137是高压气室,138是密封盖,139是空气滤清器,140是空气循环管,141是螺母,142是废气循环管,141是真空腔,144是冷却液循环管,145是螺母,146是中冷器高压空气进口,147是钢球固定孔,148是润滑油管,149是导向钢球,150是废气排出口,151是换热器冷却液进口,152是散热器冷却液进口,153是散热器润滑油进口,154是散热器冷却液出口。图2中的粗实线表示空气走向,细实线表示废气走向,虚线表示冷却液走向。
[0056] 图15~图17中,201是外壳,202是第一电磁阀,203是第一制动器,204是前行星齿轮,205是第一轴外啮合齿圈,206是第一轴内啮合齿圈,207是第二电磁阀,208是外啮合套,209是第三轴外啮合齿圈,210是第三轴内啮合齿圈,211是后行星齿轮,212是第二制动器,213是第三电磁阀,214是第三轴,215是第三轴齿圈固定盘,216是第二轴,217是内啮合套,218是隔板,219是液压油腔,220是第一轴,221是第一轴齿圈固定盘,222是第一轴内液压油管,223是第四电磁阀,224是花键。
[0057] 图18~图20中,301是壳体,302是步进电机,303是驱动齿套304是驱动齿轮,305是叶片,306是叶片支架,307是进气口,308是叶片轴,309是固定螺钉。
[0058] 具体实施方式
[0059] 本发明提出的多能源直轴混合动力发动机,其结构如图1所示,包括发动机、转换器和电动发动机,发动机、转换器和电动发动机依次相连。
[0060] 上述多能源直轴混合动力发动机中,所述的发动机的结构如图2~图14所示,包括外壳101、内壳136、空气滤清器139、节气门103、废气涡轮104、冷却液循环涡轮105、电动机106、压气涡轮107、中冷器108、液压臂110、汽缸套116、汽缸盖111、活塞115、输出轴126、冷却液温度补偿活塞131、冷却液温度补偿弹簧119、换热器120、蒸汽涡轮121、导流叶片122、散热器123、润滑油滤清器128、润滑油温度补偿活塞131、润滑油温度补偿弹簧125、冷却液循环管144、空气循环管140、废气循环管142和真空腔141;
[0061] 所述的空气滤清器139和节气门103同轴固定在发动机前口外壳101中心线上,废气涡轮104、冷却液循环涡轮105、电动机106、压气涡轮107、中冷器108、液压臂110、汽缸套116、汽缸盖111和活塞115从左至右依次同轴固定在内壳一边的中心线上;中冷器108与汽缸盖111之间形成高压气室137,液压臂110置于高压气室137内,液压臂110的活塞与汽缸盖111相连;所述的汽缸盖111和活塞115置于汽缸套116内,活塞115外表面设有半圆凹槽,汽缸套116上开有钢球固定孔147,活塞115与汽缸套116通过钢球134相互联动,汽缸盖111为一涡轮,汽缸盖111内部设有电磁进气门112,活塞115为一涡轮,活塞115内部设有排气门114,活塞115与汽缸盖111之间形成燃烧室135;
[0062] 所述的输出轴126固定在内壳136另一边的中心线上,输出轴126与活塞115之间形成润滑油腔124,输出轴126的端部插入活塞115内;所述的冷却液温度补偿活塞119、换热器120、蒸汽涡轮121、导流叶片122、散热器123、润滑油滤清器128和润滑油温度补偿活塞127从左至右依次同轴固定在输出轴126上,冷却液温度补偿弹簧125置于冷却液温度补偿活塞127与换热器120之间,润滑油温度补偿弹簧125置于润滑油温度补偿活塞127与外壳101端部之间;
[0063] 所述的内壳139置于外壳101内,内壳139和外壳101之间由内向外依次布置有冷却液循环管144、空气循环管140和真空腔141,废气循环管142沿圆周均布在冷却液循环管144和空气循环管140之间。
[0064] 上述多能源直轴混合动力发动机中,所述的转换器的结构如图15~17所示,包括第一轴220、第二轴216、第三轴214,内啮合套217、外啮合套208、第一电磁阀202、第二电磁阀207、第三电磁阀213、第四电磁阀223、第一制动器203、第二制动器212、前行星齿轮204、后行星齿轮211、第一轴齿圈固定盘221、第三轴齿圈固定盘215和第一轴内液压油管222;
[0065] 第一轴220、第二轴216、内啮合套217和外啮合套208同轴固定在外壳201的中心线上,内啮合套217位于外啮合套208内。
[0066] 内啮合套217为工字形,其结构如图17所示,中间为细管,两端为粗管,细管的中央设有隔板218。内啮合套的两端粗管内壁圆周上设有轮齿,细管一端的内壁上设有花键224。第一轴220和第二轴216分别从两端伸入内啮合套内,置于隔板224的两侧。第一轴220的端部与隔板之间形成液压油腔219,第一轴内设有液压油管222,液压油管222与第四电磁阀223相连通。第二轴216的端部设有花键,该花键与内啮合套细管内壁上的花键224相互啮合;
[0067] 外啮合套208与第一轴220、第二轴216同轴安装在外壳201的中心线上,其结构如图16所示,外啮合套208为工字形,中间为细管,两端为粗管。外啮合套的两端粗管内壁分别设有宽齿和窄齿,宽齿在外侧,窄齿在内侧,第二电磁阀7置于外啮合套两个粗管之间。
[0068] 第一轴220上设有齿圈和齿圈固定盘221,前行星齿轮204安装在第一轴齿圈固定盘221的一侧,前行星齿轮的内侧与第一轴220上的齿圈相互啮合,并位于外啮合套208的一端粗管内,前行星齿轮204外侧与外啮合套208一端粗管内壁上的宽齿相互啮合,第一轴齿圈固定盘221上设有外啮合齿圈205和内啮合齿圈206,外啮合齿圈205与外啮合套208一端粗管内壁上的窄齿相互啮合,内啮合齿圈206与内啮合套217一端粗管内壁上的轮齿相互啮合。
[0069] 第三轴214上设有齿圈和齿圈固定盘215,后行星齿轮211安装在第三轴齿圈固定盘215的一侧,后行星齿轮211的内侧与第三轴214上的齿圈相互啮合,并位于外啮合套208的另一端的粗管内,后行星齿轮211外侧与外啮合套208另一端粗管内壁上的宽齿相互啮合,第三轴齿圈固定盘215上设有外啮合齿圈209和内啮合齿圈210。外啮合齿圈209与外啮合套208另一端粗管内壁上的窄齿相互啮合,内啮合齿圈210与内啮合套217另一端粗管内壁上的轮齿相互啮合。
[0070] 第二轴216穿入第三轴214,第三轴214与第二轴216成滑动配合。第二轴216端部的花键插入内啮合套另一端的细管内,与内啮合套细管内壁上的花键224相互啮合。
[0071] 第一电磁阀202通过第一制动器203与前行星齿轮204联动。第三电磁阀213通过第二制动器212与后行星齿轮211联动。
[0072] 上述多能源直轴混合动力发动机中,所述的节气门,其结构如图18~20所示,包括步进电机302、驱动齿轮304、驱动齿套303、叶片305、叶片轴308和叶片支架306,所述的步进电机302安装在壳体301内,所述的叶片有6~18个,所述的驱动齿轮304的数量与叶片305的数量相等,驱动齿轮304沿圆周均布,置于驱动齿套303内,并与驱动齿套303相互啮合,驱动齿轮304与叶片305同轴安装在叶片轴308上,叶片轴308固定在叶片支架306上,叶片支架306通过固定螺钉309固定在壳体301上;所述的步进电机302与任意一组同轴安装的驱动齿轮和叶片同轴安装。
[0073] 以下结合附图,详细介绍本发动机的工作原理和工作过程:
[0074] 如图1所示,转换器将发动机和电动发动机轴向连接,发动机和电动发电机的动力结构转换器转换,联合从电动发电机的一端输出。
[0075] 以下是本发明提出的多能源直轴混合动力发动机中发动机的工作原理和工作过程:
[0076] 空气由发动机的前端进入,如图2中的粗实线箭头所示,空气循环过程如图3、图6、图7和图8所示。空气经空气滤清器139,进入进气总管102中,节气门103根据发动机工况需要达到相应的开度,控制空气进量。空气经发动机内壳136与外壳101之间的空气循环管140,进入中冷器108中高压空气管道146的周围空间,对高压空气进行冷却后返回空气循环管140中,吸收发动机散发的热量,然后进入散热器123中,对散热器中的冷却液和润滑油进行冷却,最后从空气循环管返回至压气涡轮107,并从中冷器108的高压空气管道146中通过后进入高压气室137。高压气室137的外壁上设有气体燃料进口109,如图8所示,气体燃料由气体燃料进口109进入高压气室137中,与高压空气混合,组成混合燃气。液压臂110驱动汽缸盖111,使汽缸盖111与活塞115之间的燃烧室135的容积改变,以得到混合燃气所需的压缩比。进气门112打开,高压混合燃气进入燃烧室135,同时高压燃气流推动汽缸盖111内的涡轮旋转,从而带动汽缸盖111旋转。高压燃气在燃烧室135内燃烧,推动活塞115沿轴向运动。
[0077] 燃烧室135的外壁上设有液体燃料进口113,如图9所示。若发动机使用液体燃料,则液体燃料从进口113进入燃烧室135,与高压空气混合后燃烧,推动活塞115沿轴向运动。
[0078] 汽缸套116上开有钢球安装孔147,如图10所示,安装孔内插有钢球固定件(图中未示出),钢球固定件使钢球134固定在汽缸套116的内壁上,活塞115的外壁上设有半圆形闭合凹槽,固定在汽缸套116上的钢球134嵌入活塞115外壁上的半圆形闭合凹槽中,使活塞115与汽缸套116通过钢球134相互联动,从而使活塞115旋转,并带动输出轴126旋转而输出动力。
[0079] 活塞115到达下止点后返回,活塞115中的排气门114打开,燃烧室135中的废气通过排气门114进入活塞内,冲击活塞内的涡轮旋转,并带动活塞旋转,进而带动输出轴126旋转而输出动力,实现二次做功,降低废气污染。而且从图2中可以看出,排气门114在活塞115顶部,进气门112在汽缸盖111的顶部,进气门与排气门不设在同一平面上,使得进排气更加充分,燃烧效果更好。在排气过程中,未燃尽的燃料在活塞内充分燃烧,冲击涡轮,充分利用排气动能,同时大大减少CO、CH、NOx等有害气体的排放,使发动机更节能环保,并提高发动机功率。
[0080] 燃烧室135中的废气的循环过程如图2中细实线箭头所示,废气经过活塞115后进入废气室132,从废气室侧向开口117排出后进入废气循环管142,如图11所示。废气在循环管142中进入废气涡轮104,推动废气涡轮旋转,并带动冷却液循环涡轮和压气涡轮旋转,废气从废气涡轮104中返回废气循环管142,如图4所示,最后进入换热器120中,其中的冷却液吸收废气剩余热量后,废气从废气排出口150排放,如图11所示。
[0081] 冷却液储存在冷却液室118中,冷却液的循环过程如图2中虚线箭头所示。冷却液充满内壳136与外壳101之间的冷却液循环管144中,如图5所示,冷却液涡轮105驱动冷却液流动,吸收发动机散失的热量,进入换热器120,进一步吸收换热器中废气的热量,冷却液沸腾,从换热器中喷出成为气体,推动蒸汽涡轮121旋转,并带动输出轴126旋转而输出动力。由于本发动机设有多组蒸汽涡轮121,蒸汽每经过一级蒸汽涡轮,就经过一级蒸气导流板122对蒸汽进行导流,再推动下一级蒸汽涡轮121运转。
[0082] 然后冷却液蒸汽进入散热器123中,如图13和14所示,冷却液与散热器中的较冷空气进行热交换,重新凝结为液体,为下一次循环作准备。冷却液室118中设有冷却液温度补偿弹簧119和冷却液补偿活塞131,如图2所示,其作用是,当冷却液温度升高时,冷却液室118中的冷却液体积膨胀,通过补偿弹簧119和补偿活塞131可以缓解冷却液对其循环管144的压力,保护循环管不破裂,而且使冷却液在循环管中以液态流动。
[0083] 发动机外壳101内侧为真空腔143,发动机散失的热量被密闭在机内。如图2所示,冷空气、废气、冷却液在发动机内进行充分的热交换,因热传递散失的大部分热量被冷空气和冷却液吸收,仅有极少部分热量随废气排出,因此发动机机体热量损失小。噪声被真空腔143密蔽在发动机内,在循环过程中逐渐被吸收消弱,因此发动机噪音低,机件的震动小,机械能损失减小,内燃机效率提高,发动机使用寿命长。
[0084] 在发动机工作的过程中,冷却液吸收了发动机的热量、废气的热量、润滑油的热量,温度升高,内能增加,推动蒸汽涡轮做功,将热能转换为机械能,然后冷却液温度逐渐降低,内能减小。
[0085] 冷空气吸收发动机内的热量、废气的热量、冷却液的热量、润滑油的热量,经过压气涡轮压缩,在高压气室聚集。发动机过热时,可以停止给发动机供应燃料,进气门和排气门同时打开,较高势能的高压空气直接冲入汽缸,推动汽缸盖自旋,推动活塞做功,对燃烧通道进行清膛,并冷却发动机。同时,空气吸收了发动机的热量为下一次循环做准备。
[0086] 如图2所示,输出轴126插入活塞115中,输出轴126与活塞115成紧配合。润滑油储存在润滑油腔124中。润滑油通过润滑油滤清器128进入输出轴126的内管126-1中,进而流入润滑油腔133后流到活塞与汽缸套之间,起润滑和密封作用,然后润滑油进入润滑油管148(如图10所示)流到汽缸盖111的周围,使汽缸盖与汽缸套之间润滑和密封。润滑油重新沿润滑油管148进入散热器123,与较冷空气进行热交换,最后返回润滑油腔,为下一次循环作准备。
[0087] 润滑油腔124中设有润滑油温度补偿弹簧125和润滑油补偿活塞127,如图2所示,其作用是,当润滑油温度升高时,润滑油腔124中的润滑油体积膨胀,通过补偿弹簧125和补偿活塞127可以缓解润滑油对其循环管148的压力,保护循环管不破裂,而且使润滑油在循环管中以液态流动。
[0088] 转换器的第一轴与上述发动机的输出轴连接,转换器的第三轴与电动发电机的输出轴相连接,转换器的第二轴为输出轴。
[0089] 以下是上述多能源直轴混合动力发动机中转换器的工作原理和工作过程:
[0090] 第一种转换方式:第四电磁阀223回收内啮合套液压油腔219内的液压油,液压油经第一轴中间的液压油管222返回到第四电磁阀223内,使内啮合套217左移,与第一轴内啮合齿圈206啮合,内啮合套217右端细管内的花键224始终与第二轴端部的花键啮合,轴向滑动连接。其他各机件保持位置不变。
[0091] 转换过程是:第一轴220为输入轴。动力经第一轴220传递给内啮合套217,带动第二轴216转动,输出机械能。机械能传递方向:第一轴→内啮合套→第二轴。发动机通过转换器输出机械能。
[0092] 第二种转换方式:第一电磁阀202控制第一制动器203将前端行星齿轮架制动,第三电磁阀213控制第二制动器212将后端行星齿轮架制动。其他各机件保持位置不变。
[0093] 两种转换过程:第一种是:第一轴220为输入轴。第一轴220带动前行星齿轮204,将动力传给外啮合套208,做减速运动,外啮合套208再带动后行星齿轮211,做增速运动,将动力传给第三轴214运转。输出机械能。机械能传递方向:第一轴→前行星齿轮→外啮合套→后行星齿轮→第三轴。发动机带动电动发电机等速发电。第二种是:第三轴214为输入轴。第三轴214带动后行星齿轮211,将动力传给外啮合套208,做减速运动,外啮合套208再带动前行星齿轮204,做增速运动,将动力传给第一轴220运转,输出机械能。机械能传递方向:第三轴→后行星齿轮→外啮合套→前行星齿轮→第一轴。电动发电机带动发动机等速启动。
[0094] 第三种转换方式:第三电磁阀213控制第二制动器212将后行星齿轮架制动,第二电磁阀207推动外啮合套208左移,使外啮合套208左端粗管内的窄齿与第一轴外啮合齿圈205啮合。其他各机件保持位置不变。
[0095] 两种转换过程:第一种是:第三轴214为输入轴。动力由第三轴214传给后行星齿轮211,后行星齿轮211带动外啮合套208做减速转动,外啮合套208带动第一轴外啮合齿圈205同步转动,将动力传给第一轴220转动输出机械能。机械能传递方向:第三轴→后行星齿轮→外啮合套→第一轴外啮合齿圈→第一轴。电动发电机带动发动机减速启动。第二种是:第一轴为输入轴。动力由第一轴220传给第一轴外啮合齿圈5,第一轴外接合齿圈205带动外啮合套208同步转动,将动力传递给后行星齿轮211,再带动第三轴214做增速转动,输出机械能。机械能传递方向:第一轴→第一轴外啮合齿圈→外啮合套→后行星齿轮→第三轴。发动机带动电动机高速发电。
[0096] 第四种转换方式:第一电磁阀202控制第一制动器203将前行星齿轮架制动,第二电磁阀207推动外啮合套208右移,使外啮合套208右端粗管内的窄齿与第三轴外啮合齿圈209啮合。其他各机件保持位置不变。
[0097] 两种转换过程:第一种是:第三轴214为输入轴。动力由第三轴214传给第三轴外啮合齿圈209,外啮合套208与第三轴外啮合齿圈209同步运转,带动前行星齿轮204转动,前行星齿轮204带动第一轴做增速运动输出机械能。机械能传递方向:第三轴→第三轴外啮合齿圈→外啮合套→前行星齿轮→第一轴。电动发电机带动发动机高速启动。第二种是:第一轴220为输入轴。动力由第一轴220传给前行星齿轮204,带动外啮合套208做减速运动,外啮合套208带动第三轴外啮合齿圈209同步运转,将动力传递给第三轴输出机械能。机械能传递方向:第一轴→前行星齿轮→外啮合套→第三轴外啮合齿圈→第三轴。发动机带动电动机低速发电。
[0098] 第五种转换方式:第四电磁阀223将液压油压出,液压油经第一轴内的液压油管222进入内啮合套细管内的液压油腔219中,驱动内啮合套217后移,使内啮合套217端部的轮齿与第三轴内啮合齿圈210啮合,内离合器一端细管内的花键224始终与第二轴端部的花键啮合。其他各机件保持位置不变。
[0099] 转换过程是:第三轴214为输入轴。动力传递给内啮合套217,内啮合套217带动第二轴216同步转动,输出机械能。机械能传递方向:第三轴→内啮合套→第二轴。电动发电机带动第二轴输出机械能。
[0100] 第六种转换方式:第一电磁阀202控制第一制动器203将前端行星齿轮架制动;第二电磁阀207推动外啮合套208与第三轴外接合齿圈209啮合;第四电磁阀223回收内啮合套液压油腔219内的液压油,液压油经第一轴中间的液压油管222返回到第四电磁阀223内,使内啮合套217左移,与第一轴内啮合齿圈206啮合,内啮合套217右端细管内的花键224始终与第二轴端部的花键啮合,轴向滑动连接。其他各机件保持位置不变。
[0101] 转换过程是:第一轴220为输入轴。第一轴220带动前行星齿轮204转动,再带动外啮合套208减速转动,外啮合套208带动第三轴外啮合齿圈209同步运动,将机械能传递给第三轴214,输出机械能。同时,第一轴220带动内啮合套217同步转动,再带动第二轴216运转,输出机械能。此时,第二轴216转速高于第三轴214转速。机械能传递方向:第一轴→前行星齿轮→外啮合套→第三轴外啮合齿圈→第三轴,第一轴→内啮合套→第二轴。发动机输出机械能,同时带动电动发电机低速发电。
[0102] 第七种转换方式:第一电磁阀202带动第一制动器203将前端行星齿轮架制动,第三电磁阀213带动第二制动器201将后行星齿轮架制动,第四电磁阀223回收内啮合套液压油腔219内的液压油,液压油经第一轴中间的液压油管222返回到第四电磁阀223内,使内啮合套217左移,与第一轴内啮合齿圈206啮合,内啮合套217右端细管内的花键224始终与第二轴端部的花键啮合,轴向滑动连接。其他各机件保持位置不变。
[0103] 转换过程是:第一轴220为输入轴。第一轴220带动前行星齿轮204转动,前行星齿轮204带动外啮合套208做减速运动,外啮合套208带动后行星齿轮211转动,后行星齿轮211带动第三轴214做增速转动,输出机械能。同时,第一轴220带动内啮合套217转动,内啮合套217带动第二轴216同步转动,输出机械能。机械能传递方向:第一轴→前行星齿轮→外啮合套→后行星齿轮→第三轴,第一轴→内啮合套→第二轴。发动机带动电动发电机等速发电,同时输出机械能。
[0104] 以下是上述多能源直轴混合动力发动机中节气门的工作原理:
[0105] 当步进电机302在电信号指令下转动一定角度时,与步进电机302同轴安装的驱动齿轮带动驱动齿套303转动一定角度,进而带动所有驱动齿轮旋转同一角度,从而使所有与驱动齿轮同轴安装的叶片305同步转动同一角度。叶片305同时向一个方向转动时,节气门的进气口307闭合缩小。反之,向另一方向转动时,节气门进气口307开放扩大。整个节气门在步进电机302的驱动下按一定开度开闭,按所需步进角旋转到发动机进气所需的开口,实现发动机的启动、怠速运转和负荷运转。

Claims (4)

1、一种多能源直轴混合动力发动机,其特征在于包括发动机、转换器和电动发动机,发动机、转换器和电动发动机依次相连。
2、如权利要求1所述的多能源直轴混合动力发动机,其特征在于其中所述的发动机包括外壳、内壳、空气滤清器、节气门、废气涡轮、冷却液循环涡轮、电动机、压气涡轮、中冷器、液压臂、汽缸套、汽缸盖、活塞、输出轴、冷却液温度补偿活塞、冷却液温度补偿弹簧、换热器、蒸汽涡轮、导流叶片、散热器、润滑油滤清器、润滑油温度补偿活塞、润滑油温度补偿弹簧、冷却液循环管、空气循环管、废气循环管和真空腔;
所述的空气滤清器和节气门同轴固定在发动机前口外壳中心线上,废气涡轮、冷却液循环涡轮、电动机、压气涡轮、中冷器、液压臂、汽缸套、汽缸盖和活塞从左至右依次同轴固定在内壳一边的中心线上;中冷器与汽缸盖之间形成高压气室,液压臂置于高压气室内,液压臂的活塞与汽缸盖相连;所述的汽缸盖和活塞置于汽缸套内,活塞外表面设有半圆凹槽,汽缸套上开有钢球固定孔,活塞与汽缸套通过钢球相互联动,汽缸盖为一涡轮,汽缸盖内部设有电磁进气门,活塞为一涡轮,活塞内部设有排气门,活塞与汽缸盖之间形成燃烧室;
所述的输出轴固定在内壳另一边的中心线上,输出轴与活塞之间形成润滑油腔,输出轴的端部插入活塞内;所述的冷却液温度补偿活塞、换热器、蒸汽涡轮、导流叶片、散热器、润滑油滤清器和润滑油温度补偿活塞从左至右依次同轴固定在输出轴上,冷却液温度补偿弹簧置于冷却液温度补偿活塞与换热器之间,润滑油温度补偿弹簧置于润滑油温度补偿活塞与外壳端部之间;
所述的内壳置于外壳内,内壳和外壳之间由内向外依次布置有冷却液循环管、空气循环管和真空腔,废气循环管沿圆周均布在冷却液循环管和空气循环管之间。
3、如权利要求1所述的多能源直轴混合动力发动机,其特征在于其中所述的转换器包括第一轴、第二轴、第三轴,内啮合套、外啮合套、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第一制动器、第二制动器、前行星齿轮、后行星齿轮、第一轴齿圈固定盘、第三轴齿圈固定盘和第一轴内液压油管;
所述的第一轴、第二轴、内啮合套和外啮合套同轴固定在外壳的中心线上,内啮合套位于外啮合套内;
所述的内啮合套为工字形,中间为细管,两端为粗管,细管的中央设有隔板,内啮合套的两端粗管内壁圆周上设有轮齿,细管一端的内壁上设有花键,第一轴和第二轴分别从两端伸入内啮合套内,置于隔板的两侧,第一轴的端部与隔板之间形成液压油腔,第一轴内设有液压油管,液压油管与第四电磁阀相连通,第二轴的端部设有花键,该花键与内啮合套细管内壁上的花键相互啮合;
所述的外啮合套与第一轴和第二轴同轴安装在外壳的中心线上,外啮合套为工字形,中间为细管,两端为粗管,外啮合套的两端粗管内壁分别设有宽齿和窄齿,宽齿在外侧,窄齿在内侧,第二电磁阀置于外啮合套两个粗管之间;
所述的第一轴上设有齿圈和齿圈固定盘,前行星齿轮安装在第一轴齿圈固定盘的一侧,前行星齿轮的内侧与第一轴上的齿圈相互啮合,并位于外啮合套的一端粗管内,前行星齿轮外侧与外啮合套一端粗管内壁上的宽齿相互啮合,第一轴齿圈固定盘上设有外啮合齿圈和内啮合齿圈,外啮合齿圈与外啮合套一端粗管内壁上的窄齿相互啮合,内啮合齿圈与内啮合套一端粗管内壁上的轮齿相互啮合;
所述的第三轴上设有齿圈和齿圈固定盘,后行星齿轮安装在第三轴齿圈固定盘的一侧,后行星齿轮的内侧与第三轴上的齿圈相互啮合,并位于外啮合套的另一端的粗管内,后行星齿轮外侧与外啮合套另一端粗管内壁上的宽齿相互啮合,第三轴齿圈固定盘上设有外啮合齿圈和内啮合齿圈,外啮合齿圈与外啮合套另一端粗管内壁上的窄齿相互啮合,内啮合齿圈与内啮合套另一端粗管内壁上的轮齿相互啮合;
所述的第二轴穿入第三轴,第三轴与第二轴成滑动配合,第二轴端部的花键插入内啮合套另一端的细管内,与内啮合套细管内壁上的花键相互啮合;
所述的第一电磁阀通过第一制动器与前行星齿轮联动,第三电磁阀通过第二制动器与后行星齿轮联动。
4、如权利要求1所述的多能源直轴混合动力发动机,其特征在于其中所述的节气门包括步进电机、驱动齿轮、驱动齿套、叶片、叶片轴和叶片支架;所述的步进电机安装在壳体内,所述的叶片有6~18个,所述的驱动齿轮的数量与叶片的数量相等,驱动齿轮沿圆周均布,置于驱动齿套内,并与驱动齿套上的内齿相互啮合,驱动齿轮与叶片同轴安装在叶片轴上,叶片轴固定在叶片支架上,叶片支架通过固定螺钉固定在壳体上;所述的步进电机与任意一组同轴安装的驱动齿轮和叶片同轴安装。
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