CN102425494B - 液控对置活塞式发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液控对置活塞式发动机，在本发明专利方案中，单元对置活塞组件中，各有一组对置移动活塞，活塞的受油端接口，分别对应旋转曲轴上两组往复容积泵的接口。转动曲轴，容积泵的变化直接耦合到活塞上，准确控制活塞运动方向，及内止点，外止点位置，来分别完成，进气-压缩-做功膨胀-排气工作行程，及动力输出。通过简单的方式将活塞可控，达到兼顾常规发动机及液压自由活塞发动机的优点，又避免各自的缺点。其他如启动系统，供油系统，燃烧系统，冷却系统及密封系统都共用现有完全成熟技术，便于项目的实施。适用于发动机行业推广。

Description

液控对置活塞式发动机

技术领域

本发明涉及一种发动机，具体的说，涉及一种液压控制移动对置活塞式发动机。

背景技术

现有常规发动机是依靠曲轴、活塞、连杆、凸轮配气机构来完成发动机工作过程，现已非常完善，但达到一定工作状况，如大缸径，长行程，高增压大功率，压缩比可调，节能环保等技术指标就会受到各方面限制。在此领域，人们做了各方面的尝试，其中包括著名的三角活塞转子发动机，但因其特殊的曲线造成生产及维护的困难，尤其密封也没从根本性的解决。所以至今也没大面积推广。

能否简化发动机结构如取消曲轴、连杆等，又能保证发动机可靠工作呢？这其中就包括始于上世纪20-30年代开始研究，并于50-60年代工业化生产的，自由活塞发气机/压气机。根据自身优劣特征逐渐发展到1980-2000年研制的液压自由活塞发动机。有关这方面报道《液压自由活塞发动机的发展历程及研究状况》杨华勇等著机械工程学报第37卷第2期2001年2月；《特种发动机原理与结构》朱仙鼎1998年版；自由活塞液压发动机等有比较详细、系统的论述。

将内燃机液控化将带来如下特征，承载功率大，振动小，活塞的制作非常简单，运动状况好(没有侧压力)压缩比方便自动调整等，但同时我们也看到不管是那种形式的自由活塞液压发动机控制系统特别复杂。都需靠电磁阀、油泵、油马达、感应器等控制活塞运行。但发动机转数从几百至上千转，用这种方式，可靠性存在问题，同时大大影响传动效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、性能稳定可靠、传动效率高的液控对置活塞式发动机。

为了解决上述技术问题，本发明提供的液控对置活塞式发动机，包括配气装置、喷油点火装置和曲轴连杆机构，设有一组单缸双活塞对置式液压发动机组，所述的单缸双活塞对置式液压发动机组的结构是：气缸的左端设有左侧油缸，左侧移动活塞设在所述的左侧油缸和所述的气缸内，所述的左侧移动活塞的侧壁与所述的左侧油缸之间形成有左侧回油腔，所述的左侧移动活塞的底部与所述的左侧油缸之间形成有左侧压力油腔，所述的气缸的右端设有右侧油缸，右侧移动活塞设在所述的右侧油缸和所述的气缸内，所述的右侧移动活塞的侧壁与所述的右侧油缸之间形成有右侧回油腔，所述的右侧移动活塞的底部与所述的右侧油缸之间形成有右侧压力油腔，所述的左侧移动活塞和右侧移动活塞作反向同步运动，所述的配气装置、喷油点火装置设在所述的气缸上，所述的曲轴连杆机构与第一双容积往复转换装置和第二双容积往复转换装置的活塞杆传动连接，所述的第一双容积往复转换装置的一个容积与所述的左侧压力油腔连接，另一个容积与所述的左侧回油腔连接，所述的第二双容积往复转换装置的一个容积与所述的右侧压力油腔连接，另一个容积与所述的右侧回油腔连接。

液压泵的出口分别连接第一单向阀和第二单向阀的进口，所述的第一单向阀的出口与所述的左侧回油腔连接，所述的第二单向阀的出口与所述的右侧回油腔连接。

所述的配气装置的结构是：所述的左侧油缸的端部设有插入到所述的左侧移动活塞的尾部内孔的左侧柱塞，在所述的左侧移动活塞的尾部内孔与所述的左侧柱塞之间形成有左侧扫气室，在所述的左侧柱塞的端部设有左侧进气阀和左侧排气阀，所述的右侧油缸的端部设有插入到所述的右侧移动活塞的尾部内孔的右侧柱塞，在所述的右侧移动活塞的尾部内孔与所述的右侧柱塞之间形成有右侧扫气室，在所述的右侧柱塞的端部设有右侧进气阀和右侧排气阀，所述的左侧排气阀和右侧排气阀连接有储气罐的进气端，所述的储气罐的出气端与所述的气缸上的气缸进气口连接，所述的气缸设有气缸排气口。

所述的配气装置的结构是：空气压缩机与所述的曲轴连杆机构传动连接，所述的空气压缩机的出口与储气罐的进气端连接，所述的储气罐的出气端与所述的气缸上的气缸进气口连接，所述的气缸设有气缸排气口。

第一蓄能器的一个油腔与所述的第一双容积往复转换装置的一个油腔连通，所述的第一蓄能器的另一个油腔与所述的第一双容积往复转换装置的另一个油腔连接，第二蓄能器的一个油腔与所述的第二双容积往复转换装置的一个油腔连通，所述的第二蓄能器的另一个油腔与所述的第二双容积往复转换装置的另一个油腔连接。

同一所述的移动活塞的动力油腔和回油腔在所述的移动活塞的运动下止点设有旁通管。

采用上述技术方案的液控对置活塞式发动机，气缸具有一个气缸燃烧室和二个活塞，二个活塞作反向同步运动，活塞能在其间内往复自由移动，气缸部位形成气缸燃烧室，用于气体膨胀做功，能量转换。气缸上开有进气口和排气口，用于气体交换，中间设有喷油器(或火花塞)用于喷油或点火。在油缸部位形成回油腔和压力油腔，回油腔与压力油腔的共同作用是用于稳定控制活塞运动及方向。压力油腔另一作用则是将活塞受到的膨胀的气体压力变成液压能并传递出去。活塞内孔顶部部位形成扫气室，通过柱塞及柱塞上的内孔导入外部，在进气单向阀，排气单向阀的作用下，不断将新鲜空气吸入，以压缩空气形式排出，两组排出压缩空气都进入储气罐，用于发动机交换气体之用，实际上就相当于往复式空气压缩机，用于发动机供气系统。控制活塞运动及完成整个发动机进气-压缩-膨胀做功-排气，过程是由主轴及主轴上的附件完成。

曲轴连杆机构上相关联通过齿轮、飞轮连接启动马达构成起动组件，通过链轮(同步带)连接喷油泵，喷油器构成喷油点火装置，通过水泵，散热器构成散热系统。这些与常规发动机具有相同的共性。

曲轴连杆机构连接第一双容积往复转换装置和第二双容积往复转换装置。第一双容积往复转换装置和第二双容积往复转换装置接口分别对应油缸的压力油腔，曲轴连杆机构旋转，第一双容积往复转换装置和第二双容积往复转换装置左右两容积变化，直接耦合到移动活塞上，引起两组移动活塞分别相向或相反移动，完成进气-压缩-膨胀做功-排气过程。反之移动活塞的相向，相反移动则通过压力油腔作用到第一双容积往复转换装置和第二双容积往复转换装置上，这时第一双容积往复转换装置和第二双容积往复转换装置就相当一油马达，转化成曲轴连杆机构的圆周运动。

本发明与现有自由活塞相比，对置活塞运动是可控，压缩比在一定范围内固定，从而保证发动机最佳工作状况运转。对置活塞运动速度相同，方向相反，动平衡性好，爆破膨胀产生的高频振荡可由液压吸收。移动活塞等关键零件，一是零件数少，构造简单，加工方便。动力传输液压管路直连，不必经过阀，控制系统没有电磁阀，感应器等复杂的控制单元，稳定可靠，发动机整体体积，尤其是高度大为降低。

附图说明

图1是本发明单缸对置的整体结构及原理图示意图。

图2是描述本发明一种工作状况整体结构示意图。

图3是本发明多缸对置式发动机整体结构示意图。

图4是本发明双缸及偶数级对置式发动机整体结构示意图。

图5是本发明采用外置式空气压缩机配气机构示意图。

图6是本发明移动活塞后端为实体，前端配气结构示意图。

图7是本发明往复双容积泵采用曲轴连杆机构结构示意图。

图8是本发明往复式容积泵采用凸轮结构示意图。

图9是本发明压力油腔与回油腔之间添加蓄能器示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参见图1、图2和图7，曲轴连杆机构26传动连接有起动组件27和喷油泵组件32，设有一组第一单缸双活塞对置式液压发动机组1，第一单缸双活塞对置式液压发动机组1的结构是：气缸8的左端设有左侧油缸4，左侧移动活塞5设在左侧油缸4和气缸8内，左侧移动活塞5的侧壁与左侧油缸4之间形成有左侧回油腔6，左侧移动活塞5的底部与左侧油缸4之间形成有左侧压力油腔3，气缸8的右端设有右侧油缸17，右侧移动活塞16设在右侧油缸17和气缸8内，右侧移动活塞16的侧壁与右侧油缸17之间形成有右侧回油腔15，右侧移动活塞16的底部与右侧油缸17之间形成有右侧压力油腔18，左侧移动活塞5和右侧移动活塞16作反向同步运动，配气装置、喷油点火装置10设在气缸8上，气缸8形成有气缸燃烧室12，同一移动活塞的动力油腔和回油腔在移动活塞的运动下止点设有旁通管，曲轴连杆机构26与第一双容积往复转换装置28和第二双容积往复转换装置23的活塞杆传动连接，第一双容积往复转换装置28的一个容积与左侧压力油腔3连接，另一个容积与左侧回油腔6连接，第二双容积往复转换装置23的一个容积与右侧压力油腔18连接，另一个容积与右侧回油腔15连接；左侧油缸4的端部设有插入到左侧移动活塞5的尾部内孔的左侧柱塞2，在左侧移动活塞5的尾部内孔与左侧柱塞2之间形成有左侧扫气室7，在左侧柱塞2的端部设有左侧进气阀31和左侧排气阀30，右侧油缸17的端部设有插入到右侧移动活塞16的尾部内孔的右侧柱塞19，在右侧移动活塞16的尾部内孔与右侧柱塞19之间形成有右侧扫气室14，在右侧柱塞19的端部设有右侧进气阀20和右侧排气阀21，左侧排气阀30和右侧排气阀21连接有储气罐11的进气端，储气罐11的出气端与气缸8上的气缸进气口13连接，气缸8设有气缸排气口9；液压泵24的出口分别连接第一单向阀29和第二单向阀22的进口，第一单向阀29的出口与左侧回油腔6连接，第二单向阀22的出口与右侧回油腔15连接，液压泵24的出口连接有溢流阀25。

以下结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，旋转曲轴连杆机构26关联起动组件27，关联喷油泵组件32，连动第一双容积往复转换装置28和第二双容积往复转换装置23。

所有泵气后的压缩空气由储气罐11收集；

旋转曲轴连杆机构26通过带轮连动液压泵24液压油通过第二单向阀22、第一单向阀29分别导入左右油缸回油腔形成的管路内，旁通设有一溢流阀25。

参照图7及图1，第一双容积往复转换装置28和第二双容积往复转换装置23是由曲轴连杆机构组成的往复式双容积泵，将泵分成上下两容积油腔，两容积泵油腔的油口分别对应对置活塞组件，动力油腔的接口，转动曲轴连杆机构26，左右两容积油腔的变化，则引起移动活塞的左右移动变化，反之，移动活塞的左右运动则引起曲轴连杆机构的旋转运动。

本发明的工作原理：起动组件27起动，带动曲轴连杆机构26旋转，曲轴连杆机构26旋转带动第一双容积往复转换装置28和第二双容积往复转换装置23运动，造成两容积泵左右容积腔变化，两容积泵的油口分别对应左右对置活塞组件油缸的压力油腔的受油口。第二双容积往复转换装置23油口对应右侧压力油腔18。第一双容积往复转换装置28油口对应左侧压力油腔3，第一双容积往复转换装置28和第二双容积往复转换装置23的容积变化直接耦合到两组移动活塞移动。

参见图1：

过程一，起动组件27起动，带动曲轴连杆机构26旋转，第一双容积往复转换装置28和第二双容积往复转换装置23的活塞位置位可先假设于靠近内止点一侧。

气缸燃烧室12容积增大，左侧移动活塞5、右侧移动活塞16向外移动。左侧进气阀31、右侧进气阀20关闭。左侧排气阀30、右侧排气阀21打开，左侧扫气室7、右侧扫气室14泵气将压缩空气排出到储气罐11收集。

过程二，转动曲轴连杆机构26至一定角度，第一双容积往复转换装置28和第二双容积往复转换装置23的活塞内止点。

气缸燃烧室12容积增至最大，对置的左侧移动活塞5、右侧移动活塞16向两端移动到最大外止点，气缸排气口9打开，气缸进气口13打开，压缩空气由储气罐11经气缸进气口13直流扫气，完成配气过程。左侧排气阀30、右侧排气阀21开始关闭，左侧进气阀31、右侧进气阀20开始打开，左侧扫气室7、右侧扫气室14完成泵气，开始吸气。

参见图2：

过程三，转动曲轴连杆机构26至一定角度，至往第一双容积往复转换装置28和第二双容积往复转换装置23活塞的外止点。

气缸燃烧室12压缩至最小，曲轴连杆机构26带动喷油泵组件32泵油，通过喷油点火装置10喷油着火膨胀做功，推动左侧移动活塞5、右侧移动活塞16向外移动，通过左侧压力油腔3、右侧压力油腔18推动第一双容积往复转换装置28和第二双容积往复转换装置23运动，作用于曲轴连杆机构26转为旋转运动，并对外输出动力。左侧进气阀31、右侧进气阀20关闭，左侧排气阀30、右侧排气阀21打开，左侧扫气室7、右侧扫气室14完成吸气，开始泵气。

过程四，第一双容积往复转换装置28和第二双容积往复转换装置23的活塞受力做功由外止点向内移动。带动曲轴连杆机构26旋转至一定角度。

气缸燃烧室12逐渐增大，左侧移动活塞5、右侧移动活塞16向外移动做功至最外端外止点位置。右侧进气阀20、左侧进气阀31关闭，左侧排气阀30、右侧排气阀21打开，左侧扫气室7、右侧扫气室14泵气。

整个循环过程周而复始，重复进行。

从以上过程可以看出，它的工作方式与单缸直流扫气二冲程柴油机相似。采用电喷，用火花塞点燃则成汽油发动机。

曲轴连杆机构26带动液压泵24旋转运动填充及补充开始及运转过程中液压油损耗流量，多余部分通过溢流阀25排除。

参见图9，第一蓄能器33的一个油腔与第一双容积往复转换装置28的一个油腔连通，第一蓄能器33的另一个油腔与第一双容积往复转换装置28的另一个油腔连接，第二蓄能器36的一个油腔与第二双容积往复转换装置23的一个油腔连通，第二蓄能器36的另一个油腔与第二双容积往复转换装置23的另一个油腔连接，回油腔与压力油腔之间添加第一蓄能器33和第二蓄能器36可缓冲左侧移动活塞5、右侧移动活塞16点燃膨胀时瞬间高峰压力及增压式发动机中自动调整压缩比。

图3，是本发明多缸对置式发动机整体结构示意图。在单缸基础上，增加曲轴连杆机构拐点数量，对应增加对置活塞组件数量即增加一组第二单缸双活塞对置式液压发动机组35，则形成多缸对置式发动机。

参见图4，所示为双缸及偶数组对置式发动机，在本发明对置式发动机中，每两组对置活塞组件共用一组往复容积泵，省去一组往复容积泵，两组对置活塞组件压力油腔分别连接往复容积泵的两端接口，回油腔自连。

参见图5，本发明的一种配气装置是：空气压缩机34与曲轴连杆机构26传动连接，空气压缩机34的出口与储气罐11的进气端连接，储气罐11的出气端与气缸8上的气缸进气口13连接，气缸8设有气缸排气口9。

参见图6，本发明移动活塞后端受油端可多种方式，可为空心，也可为实体。图6是移动活塞后端为实体，前端泵气结构示意图。

参见图1及图7，图8所示，用于驱动控制往复容积泵的机构可多种形式，可以是曲轴连杆机构，也可以是偏心轮，或凸轮机构，图7为曲轴连杆机构往复式容积泵，图8为凸轮机构往复式容积泵。

Claims (6)

1.一种液控对置活塞式发动机，包括配气装置、喷油点火装置(10)和曲轴连杆机构(26)，其特征是：设有一组单缸双活塞对置式液压发动机组，所述的单缸双活塞对置式液压发动机组的结构是：气缸(8)的左端设有左侧油缸(4)，左侧移动活塞(5)设在所述的左侧油缸(4)和所述的气缸(8)内，所述的左侧移动活塞(5)的侧壁与所述的左侧油缸(4)之间形成有左侧回油腔(6)，所述的左侧移动活塞(5)的底部与所述的左侧油缸(4)之间形成有左侧压力油腔(3)，所述的气缸(8)的右端设有右侧油缸(17)，右侧移动活塞(16)设在所述的右侧油缸(17)和所述的气缸(8)内，所述的右侧移动活塞(16)的侧壁与所述的右侧油缸(17)之间形成有右侧回油腔(15)，所述的右侧移动活塞(16)的底部与所述的右侧油缸(17)之间形成有右侧压力油腔(18)，所述的左侧移动活塞(5)和右侧移动活塞(16)作反向同步运动，所述的配气装置、喷油点火装置(10)设在所述的气缸(8)上，所述的曲轴连杆机构(26)与第一双容积往复转换装置(28)和第二双容积往复转换装置(23)的活塞杆传动连接，所述的第一双容积往复转换装置(28)的一个容积与所述的左侧压力油腔(3)连接，另一个容积与所述的左侧回油腔(6)连接，所述的第二双容积往复转换装置(23)的一个容积与所述的右侧压力油腔(18)连接，另一个容积与所述的右侧回油腔(15)连接。

2.根据权利要求1所述的液控对置活塞式发动机，其特征是：还包括液压泵(24)，所述的液压泵(24)的出口分别连接第一单向阀(29)和第二单向阀(22)的进口，所述的第一单向阀(29)的出口与所述的左侧回油腔(6)连接，所述的第二单向阀(22)的出口与所述的右侧回油腔(15)连接。

3.根据权利要求1或2所述的液控对置活塞式发动机，其特征是：所述的配气装置的结构是：所述的左侧油缸(4)的端部设有插入到所述的左侧移动活塞(5)的尾部内孔的左侧柱塞(2)，在所述的左侧移动活塞(5)的尾部内孔与所述的左侧柱塞(2)之间形成有左侧扫气室(7)，在所述的左侧柱塞(2)的端部设有左侧进气阀(31)和左侧排气阀(30)，所述的右侧油缸(17)的端部设有插入到所述的右侧移动活塞(16)的尾部内孔的右侧柱塞(19)，在所述的右侧移动活塞(16)的尾部内孔与所述的右侧柱塞(19)之间形成有右侧扫气室(14)，在所述的右侧柱塞(19)的端部设有右侧进气阀(20)和右侧排气阀(21)，所述的左侧排气阀(30)和右侧排气阀(21)连接有储气罐(11)的进气端，所述的储气罐(11)的出气端与所述的气缸(8)上的气缸进气口(13)连接，所述的气缸(8)设有气缸排气口(9)。

4.根据权利要求1或2所述的液控对置活塞式发动机，其特征是：所述的配气装置的结构是：空气压缩机(34)与所述的曲轴连杆机构(26)传动连接，所述的空气压缩机(34)的出口与储气罐(11)的进气端连接，所述的储气罐(11)的出气端与所述的气缸(8)上的气缸进气口(13)连接，所述的气缸(8)设有气缸排气口(9)。

5.根据权利要求1或2所述的液控对置活塞式发动机，其特征是：还包括第一蓄能器(33)和第二蓄能器(36)，所述的第一蓄能器(33)的一个油腔与所述的第一双容积往复转换装置(28)的一个油腔连通，所述的第一蓄能器(33)的另一个油腔与所述的第一双容积往复转换装置(28)的另一个油腔连接，所述的第二蓄能器(36)的一个油腔与所述的第二双容积往复转换装置(23)的一个油腔连通，所述的第二蓄能器(36)的另一个油腔与所述的第二双容积往复转换装置(23)的另一个油腔连接。

6.根据权利要求1或2所述的液控对置活塞式发动机，其特征是：同一所述的移动活塞的压力油腔和回油腔在所述的移动活塞的运动下止点设有旁通管。

Images