CN102042083B - 准自由活塞内燃机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种准自由活塞内燃机，它的每一个活塞均固定有一个动力杆，相邻的同向移动的两个动力杆之间设有同向联动装置，相邻的反向移动的两个动力杆的相对侧分别设有轮齿，所述轮齿分别与同一个同步齿轮啮合；所述曲轴连杆机构用来约束所述活塞行程，并为内燃机配气机构及喷油系统提供正时和动力。该内燃机或者输出直线动力，或者输出摆式旋转动力，它通过简单的结构实现了各气缸间的能量传递，克服了传统内燃机由于曲轴连杆机构力臂系数的变化而造成能量贬值的缺陷，运动件惯性力小，运行平稳，并且在工作时可以精确控制活塞上下止点的位置，保证压缩比固定不变。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种准自由活塞式内燃机。
背景技术
传统的内燃机，通过活塞-气缸部分组成的燃烧室将燃料燃烧释放的热能转换为活塞的往复直线运动，再由曲轴-连杆机构将活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋转运动，至此，机械动力由曲轴输出。
众所周知，内燃机指示功的大小与气缸压力和曲柄连杆机构的力臂系数成正比，若要获得最大指示功，应使气缸最高燃烧压力在最大力臂系数时出现。传统的内燃机，曲轴连杆机构的特点是：在燃烧室内最高燃烧压力时，活塞处于接近上止点位置，此时连杆传递力的方向相对于曲轴旋转中心的力臂很小，造成了能量贬值。
为解决上述问题，很长一段时间以来，本领域的技术人员都在致力于一种新的内燃发电机组的研制，即自由活塞式内燃发电机组。本申请的发明人曾在中国发明专利ZL200710116035.1中公开了一种准自由活塞直线发电机组，就是一种很好的尝试。该发电机组去掉了曲轴连杆机构，使活塞产生的往复机械动能通过直线发电机直接转换为电能，解决了曲轴连杆机构力臂系数的变化造成的能量贬值问题。但是，该发电机组也存在着以下弊端：
一、直线发电机的动子随动力杆一起做往复直线运动，往复运动件质量过大，在运行中产生了很大的惯性力，导致机组振动强烈；
二、利用空气垫来约束活塞的行程，活塞上下止点的位置不能精确控制，压缩比不固定。
发明内容
本发明提供一种能够输出直线或旋转往复动力的准自由活塞内燃机，该内燃机通过简单的结构实现了各气缸间的能量传递，克服了传统内燃机由于曲轴连杆机构力臂系数的变化而造成能量贬值的缺陷，运动件惯性力小，运行平稳，并且在工作时可以精确控制活塞上下止点的位置，保证压缩比固定不变。
当采用三缸及三缸以上的内燃机时，本发明采用如下技术方案：
一种准自由活塞内燃机，包括一组平行安装于各自气缸中的活塞，所述活塞至少是三个；所述每一个活塞均固定有一个动力杆，所述动力杆直线滑动约束于所述内燃机的气缸体中，相邻的同向移动的两个动力杆之间设有同向联动装置，相邻的反向移动的两个动力杆的相对侧分别设有轮齿，所述轮齿分别与同一个同步齿轮啮合，所述同步齿轮转动安装于所述气缸体上；用于约束所述活塞行程的曲轴连杆机构，所述曲轴连杆机构包括一个曲轴和一个连杆，所述曲轴转动安装于所述内燃机的气缸体上，所述连杆的一端铰接在所述曲轴的连杆轴颈上，另一端与所述同向联动装置或其中的一个动力杆的端部铰接。
作为一种优选方式，所述同向联动装置包括一根联动杆。
作为一种优选方式，所述同向联动装置包括一对相互啮合且转动安装于所述内燃机的气缸体上的联动齿轮，所述相邻的两个同向移动的动力杆的相对侧分别设有轮齿，所述轮齿分别与相应的一个联动齿轮啮合。
作为一种优选方式，所述曲轴上设有正时齿轮。
作为同一种构思，当采用两缸内燃机时，本发明采用如下技术方案：
一种准自由活塞内燃机，包括一组平行安装于各自气缸中的活塞，所述活塞是两个；所述每一个活塞均固定有一个动力杆，所述动力杆直线滑动约束于所述内燃机的气缸体中，所述两个动力杆的相对侧分别设有轮齿，所述轮齿分别与同一个同步齿轮啮合，所述同步齿轮转动安装于所述气缸体上；用于约束所述活塞行程的的曲轴连杆机构，所述曲轴连杆机构包括一个曲轴和一个连杆，所述曲轴转动安装于所述内燃机的气缸体上，所述连杆的一端铰接在所述曲轴的连杆轴颈上，另一端与其中的一个动力杆的端部铰接。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：由于所述每一个活塞均固定有一个动力杆，所述动力杆直线滑动约束于所述内燃机的气缸体中，相邻的同向移动的两个动力杆之间设有同向联动装置，相邻的反向移动的两个动力杆的相对侧分别设有轮齿，所述轮齿分别与同一个同步齿轮啮合；因此，在内燃机运行的每个冲程中，只要有一个缸做功，就可以带动其它缸一起运行，解决了各缸之间的能量传递问题。燃料在气缸中燃烧释放的能量，通过动力杆直接输出，或者通过动力杆上的轮齿与同步齿轮啮合后输出。该输出方式的传递力臂系数始终为1，解决了能量输出贬值的问题。同步齿轮采用往复旋转的方式输出动力，同步齿轮是一个回转件，其结构相对于旋转中心对称，产生的旋转惯性力可完全平衡抵消，工作时可以大幅度地减少机器的振动。
另外，本发明采用的曲轴连杆机构不同于传统内燃机的曲轴连杆机构，只有一个连杆，相应的其曲轴也只需一对拐臂和一个连杆轴颈。其作用仅在于约束所述活塞行程，以确保活塞上下止点定位的精确性，并为喷油系统和配气机构提供动力和正时，结构大为简化。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
图3是本发明实施例3的结构示意图；
其中，11.第一活塞；12.第二活塞；13.第三活塞；14.第四活塞；21.第一动力杆；22.第二动力杆；23.第三动力杆；24.第四动力杆；3.第一同步齿轮；5.直线轴承；6.曲轴；7.连杆；8.联动轴；9.第二同步齿轮；15.正时齿轮；16.联动齿轮。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种四缸四冲程的准自由活塞内燃机，它包括从左到右平行设置的第一活塞11、第二活塞12、第三活塞13和第四活塞14，所述四个活塞均安装于各自对应的气缸中。所述四个活塞依次固定连接有第一动力杆21、第二动力杆22、第三动力杆23和第四动力杆24，所述四个动力杆分别约束于直线轴承5中，所述直线轴承5设置于所述气缸体上，直线轴承5起导向作用，出于此种目的，也可以采用其它结构将所述四个动力杆直线约束于所述气缸体上。
所述第二动力杆22与第三动力杆23之间安装有联动轴8，所述第一动力杆21与第二动力杆22相邻侧的表面上设有轮齿，所述轮齿分别从两侧与第一同步齿轮3啮合，所述第三动力杆23与第四动力杆24相邻侧的表面上也设有轮齿，所述轮齿分别从两侧与第二同步齿轮9相啮合，所述第一同步齿轮3、第二同步齿轮9与联动轴8可保证所述四个活塞进行同步运动。在工作时，第二动力杆22与第三动力杆23同向移动，而第二动力杆22与第一动力杆21则反向移动，换句话说，相邻的两个动力杆之间通过联动轴连接起来就能保证同向移动，相邻的两个动力杆之间设置同步齿轮就能保证反向移动，保证其所对应的气缸顺序轮流做功，并实现各缸间的能量传递。
所述第一同步齿轮3与第二同步齿轮9转动安装于气缸体上。燃料在气缸中燃烧释放的能量，通过动力杆输出动力，或通过动力杆的轮齿直接传递到同步齿轮上输出动力，其传递力臂系数始终为1，解决了能量输出贬值的问题。同步齿轮采用往复旋转的方式输出动力，同步齿轮是一个回转件，其结构相对于旋转中心对称，产生的旋转惯性力可完全平衡抵消，工作时可以大幅度地减少机器的振动。
所述联动轴8上连接有约束所述活塞行程的曲轴连杆机构，所述曲轴连杆机构包括连杆7和曲轴6，所述曲轴6转动安装于所述气缸体上，所述连杆7铰接在所述曲轴6的连杆轴颈与所述联动轴8之间，所述曲轴6上设有正时齿轮15，为内燃机喷油系统和配气机构提供动力和正时等。这里的曲轴连杆机构不同于传统内燃机的曲轴连杆机构，其作用仅在于约束所述活塞行程，确保活塞上下止点定位的精确性，并为内燃机配气机构和喷油系统提供正时和动力，因此它仅需一个连杆，相应的曲轴上也只有一对拐臂和一个连杆轴颈，结构大为简化。
本发明中的冷却系统、燃烧系统、进排气系统、起动系统、配气机构、燃料供给及喷射系统等均参照传统内燃机的结构设置，这些都被本领域普通技术人员所掌握。
实施例2
图2示出的也是一种四缸四冲程的准自由活塞内燃机，其结构与实施例1基本相同，不同之处在于，相邻的同向移动的两个动力杆之间设有另一种同向联动装置，所述同向联动装置包括一对相互啮合且转动安装于所述内燃机的气缸体上的联动齿轮16，所述相邻的两个同向移动的动力杆的相对侧分别设有轮齿，所述轮齿分别与相应的一个联动齿轮啮合。此时，所述连杆7的一端铰接在所述曲轴6的一个连杆轴颈上，另一端与其中的一个动力杆的端部铰接，例如是第二动力杆22。
实施例3
如图3所示，一种两缸两冲程的准自由活塞内燃机，其结构实际上是实施例2的简化版，只选取了反向移动的两个活塞及其保证运行所必须的结构。
本发明所揭示的技术构思可广泛应用到四缸及四缸以上的四冲程内燃机或者两缸及两缸以上的两冲程内燃机上，其输出的往复直线动能或摆式旋转动能，可以与相应的发电机配套转化为电能，也可以与其它动力装置配套。一切基于本发明所作出的改进，均会落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种准自由活塞内燃机，包括一组平行安装于各自气缸中的活塞，所述活塞至少是三个；其特征在于：
所述每一个活塞均固定有一个动力杆，所述动力杆直线滑动约束于所述内燃机的气缸体中，相邻的同向移动的两个动力杆之间设有同向联动装置，相邻的反向移动的两个动力杆的相对侧分别设有轮齿，所述轮齿分别与同一个同步齿轮啮合，所述同步齿轮转动安装于所述气缸体上；
用于约束所述活塞行程的曲轴连杆机构，所述曲轴连杆机构包括一个曲轴和一个连杆，所述曲轴转动安装于所述内燃机的气缸体上，所述连杆的一端铰接在所述曲轴的连杆轴颈上，另一端与所述同向联动装置或其中的一个动力杆的端部铰接。
2.如权利要求1所述的准自由活塞内燃机，其特征在于：同向联动装置包括一根联动杆。
3.如权利要求1所述的准自由活塞内燃机，其特征在于：所述同向联动装置包括一对相互啮合且转动安装于所述内燃机的气缸体上的联动齿轮，所述相邻的两个同向移动的动力杆的相对侧分别设有轮齿，所述轮齿分别与相应的一个联动齿轮啮合。
4.一种准自由活塞内燃机，包括一组平行安装于各自气缸中的活塞，所述活塞是两个；其特征在于：
所述每一个活塞均固定有一个动力杆，所述动力杆直线滑动约束于所述内燃机的气缸体中，所述两个动力杆的相对侧分别设有轮齿，所述轮齿分别与同一个同步齿轮啮合，所述同步齿轮转动安装于所述气缸体上；
用于约束所述活塞行程的曲轴连杆机构，所述曲轴连杆机构包括一个曲轴和一个连杆，所述曲轴转动安装于所述内燃机的气缸体上，所述连杆的一端铰接在所述曲轴的连杆轴颈上，另一端与其中的一个动力杆的端部铰接。
5.如权利要求1至4所述的任一种准自由活塞内燃机，其特征在于：所述曲轴上设有正时齿轮。
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