CN102434379A - 液体活塞液气发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液体活塞液气发动机，包括气液缸、液压动力机构、液体工质回送系统和液体气源，所述液体气源依次经高压液体泵、液体吸热热交换器与所述气液缸连通，所述液体气源内的液体被定量导入所述液体吸热热交换器内并在液体吸热热交换器内气化形成气体工质，所述气体工质经气体工质控制阀与所述气液缸连通，或所述液体气源经所述高压液体泵再经液体工质控制阀与所述气液缸连通，所述液体气源内的液体被定量导入所述气液缸并在所述气液缸内气化形成所述气体工质。本发明省略了发动机的活塞曲柄连杆机构，具有效率高、体积小、重量轻等优势。

Description

液体活塞液气发动机
技术领域
本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种液体活塞液气发动机。
背景技术
利用液化气体，如液氮制造发动机的研究日益活跃，但是由于液化气体产生的气体的压力相对较低，所以需要较大的膨胀空间，而传统曲柄连杆机构体积大，膨胀空间小，因其大部分体积和重量被曲柄连杆机构所占据。因此，需要发明一种体积小、重量轻，能更有效利用液化气体能量的发动机。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：
一种液体活塞液气发动机，包括气液缸、液压动力机构、液体工质回送系统和液体气源，所述液体气源依次经高压液体泵、液体吸热热交换器与所述气液缸连通；
在所述气液缸上设排气口，在所述排气口处设排气控制阀，所述气液缸上设液体工质出口和液体工质回流口，所述液体工质出口与所述液压动力机构的动力液体入口连通，所述液压动力机构的液体出口与所述液体工质回送系统连通，所述液体工质回送系统与所述液体工质回流口连通。
在所述液体吸热热交换器与所述气液缸的连通通道上设有气体工质控制阀。
在所述液体吸热热交换器与所述气液缸的连通通道上设有液体工质控制阀。
所述液体气源内的液体被定量导入所述液体吸热热交换器内，或在所述液体吸热热交换器内气化形成气体工质，经所述气体工质控制阀与所述气液缸连通；或在所述液体吸热热交换器内未被气化，经所述液体工质控制阀与所述气液缸连通，所述液体工质进入所述气液缸后气化为所述气体工质。
在所述气液缸内的液体工质的作用与传统活塞式发动机中的活塞的密封和传力作用相同，在所述气液缸内的所述气体工质和所述液体工质的相互作用关系与传统活塞式发动机中的气态工质和活塞的作用关系相同：在一个工作循环的某一过程中所述气体工质对所述液体工质施压迫使所述液体工质推动所述液压动力机构对外作功，在同一个工作循环的另一过程中所述液体工质回送系统将所述液体工质经所述液体工质回流口回流到所述气液缸内，所述气体工质在所述气液缸内膨胀作功后所述排气控制阀打开膨胀作功后的所述气体工质经所述排气口排出所述气液缸。
在所述气液缸上设气液缸工质吸热热交换器。
所述液压动力机构、所述气体工质控制阀、所述液体工质回送系统和所述排气控制阀受过程控制机构控制，协调实现如下的工作过程：所述气体工质在所述气液缸内对所述气液缸内的所述液体工质施加压力，所述气液缸内的所述液体工质推动所述液压动力机构对外输出动力，在所述气液缸内的所述液体工质减少到设定程度时所述排气控制阀打开，所述液体工质回送系统将由所述液压动力机构排出的所述液体工质回送到所述气液缸内，再将所述排气控制阀关闭，所述气体工质控制阀打开，进入下一循环。
所述液压动力机构、所述液体工质控制阀、所述液体工质回送系统和所述排气控制阀受过程控制机构控制，协调实现如下的工作过程：所述气体工质在所述气液缸内对所述气液缸内的所述液体工质施加压力，所述气液缸内的所述液体工质推动所述液压动力机构对外输出动力，在所述气液缸内的所述液体工质减少到设定程度时所述排气控制阀打开，所述液体工质回送系统将由所述液压动力机构排出的所述液体工质回送到所述气液缸内，再将所述排气控制阀关闭，所述液体工质控制阀打开，进入下一循环。
在所述气液缸内设有液体导入管，所述液体导入管与所述液体工质控制阀连通。
所述液体导入管将所述液体气源内的液体导入所述气液缸的所述液体工质中，所述液体气源内的液体在所述液体工质中吸热气化形成所述气体工质。
所述气液缸设为圆桶形气液缸，所述圆桶形气液缸的底部设为内凸圆柱形底岛，所述内凸圆柱形底岛的直径小于所述圆桶形气液缸的内径，在所述内凸圆柱形底岛与所述圆桶形气液缸之间构成环形空腔，在所述圆桶形气液缸内设高裙活塞式隔板，所述高裙活塞式隔板的裙部设置于所述环形空腔内，所述高裙活塞式隔板的裙部与所述圆桶形气液缸的内壁和所述内凸圆柱形底岛的外壁分别滑动密封接触在所述高裙活塞式隔板和所述内凸圆柱形底岛构成密封空间，所述液体工质在所述密封空间内工作，所述液体工质出口和所述液体工质回流口设在所述内凸圆柱形底岛的顶壁上。
在所述气液缸上设转动轴，在所述气液缸上设转动驱动结构，所述气液缸在所述转动驱动结构的作用下绕所述转动轴作旋转运动以实现在离心力的作用下所述气体工质和所述液体工质处于良好分离状态，所述气体工质和所述液体工质分别通过旋转接头进出所述气液缸。
本发明中，所述液压动力机构是指一切可以利用液体压力产生动力同时具备利用动力产生液体泵效应的系统，如液压马达、液压缸等，在所述液压动力机构的动力轴上可设蓄能飞轮。本发明所公开液体活塞发动机充分利用了所述液压动力机构的优势取代了固体活塞曲柄连杆机构，可以大幅度提高发动机的效率，大幅度降低发动机的体积和质量。
为了使所述液压动力机构连续对外输出动力，可以在发动机内设置两个或多个所述气液缸，所有所述气液缸并联设置，所有所述气液缸中的一部分与另一部分工作相位不同。所述气液缸的工作模式包括以下两种类型：1.充气—爆—排过程（冲程），2.充气—爆—缸内冷凝；每个类型包含不同的工作过程，所谓工作相位不同是指处于不同工作过程。
本发明所谓的“工作循环的某一过程”可以是传统意义上所说的发动机冲程，也可以是指工作循环中的某一阶段。
本发明的所谓协调工作是指为保证只有液体工质直接与所述液压动力机构接触，推动所述液压动力机构作功过程所需要的按逻辑关系的工作过程；所谓气液缸是指可以利用气体工质对液体工质加压并可以将液体工质压出、可以将液体工质回流、可以将低压气体工质排出的容器；所谓液体工质回送系统是指能够把来自于液压动力机构液体出口的液体工质回送到所述气液缸内的系统，可以是由回流控制阀（一般可用逆止阀）和蓄能储罐构成，也可以是由泵、储罐和回流控制阀构成，还可以是其他形式的系统，但是所述液体工质回流系统应具备泵、阀和液体储存功能。
本发明所公开的液体活塞液气发动机中，保持所述气体工质和所述液体工质间的界面稳定防止相互混合传热是必要的，为此可以将所述气液缸置于高速旋转状态，利用离心力避免所述气体工质和液体工质相互混合。
本发明中，可根据液压领域的公知技术，在适当的位置设其他控制阀、蓄能储罐、泵等必要装置。
本发明中，所述气液缸的壁可以设为绝热的，如用陶瓷材料制造。
所述液体工质在进入所述液压动力机构之前和/或流出所述液压动力机构之后设排热器（所述排热器可以是散热器，也可以是热交换器）。
当本发明所公开的液体活塞液气发动机用于车辆时，可以省略变速箱和制动系统，其速度控制通过电脑控制相应的阀来实现车辆的行驶、刹车、加减速及负荷响应。
本发明的有益效果如下:
本发明省略了发动机的活塞曲柄连杆机构，具有效率高、体积小、重量轻等优势。
附图说明
图1所示的是本发明实施例1的结构示意图；
图2所示的是本发明实施例2的结构示意图；
图3所示的是本发明实施例3的结构示意图；
图4所示的是本发明实施例4的结构示意图；
图5所示的是本发明实施例5的结构示意图；
图6所示的是本发明实施例6的结构示意图。
图中：
1气液缸、2液压动力机构、3液体工质回送系统、4液体工质出口、5液体工质回流口、6液体工质、7气体工质、8液体气源、9高压液体泵、10液体吸热热交换器、11排气口、12气体工质控制阀、13排气控制阀、14过程控制机构、15液体工质控制阀、20气液缸工质吸热热交换器、88液体导入管、101圆桶形气液缸、4050内凸圆柱形底岛、200环形空腔、300高裙活塞式隔板、400密封空间、102转动轴、103转动驱动结构、104旋转接头。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的液体活塞液气发动机，包括气液缸1、液压动力机构2、液体工质回送系统3和液体气源8，所述液体气源8依次经高压液体泵9、液体吸热热交换器10与所述气液缸1连通，所述液体气源8内的液体被定量导入所述液体吸热热交换器10内并在所述液体吸热热交换器10内气化形成气体工质7，所述气体工质7经气体工质控制阀12与所述气液缸1连通。
在所述气液缸1上设排气口11，在所述排气口11处设排气控制阀13，所述气液缸1上设液体工质出口4和液体工质回流口5，所述液体工质出口4与所述液压动力机构2的动力液体入口连通，所述液压动力机构2的液体出口与所述液体工质回送系统3的液体入口连通，所述液体工质回送系统3的液体出口与所述液体工质回流口5连通，在所述气液缸1内的液体工质6的作用与传统活塞式发动机中的活塞的密封和传力作用相同，在所述气液缸1内的气体工质7和所述液体工质6的相互作用关系与传统活塞式发动机中的气态工质和活塞的作用关系相同。
在一个工作循环的某一过程中，所述气体工质7对所述液体工质6施压迫使所述液体工质6推动所述液压动力机构2对外作功，在同一个工作循环的另一过程中所述液体工质回送系统3将所述液体工质6经所述液体工质回流口5回流到所述气液缸1内，所述气体工质7在所述气液缸1内膨胀作功后所述排气控制阀13打开，膨胀作功后的所述气体工质7经所述排气口11排出所述气液缸1。
所述液压动力机构2、所述气体工质控制阀12、所述液体工质回送系统3和所述排气控制阀13受过程控制机构14控制协调工作实现：所述气体工质7在所述气液缸1内对所述气液缸1内的所述液体工质6施加压力，所述气液缸1内的所述液体工质6推动所述液压动力机构2对外输出动力，在所述气液缸1内的所述液体工质6减少到设定程度时所述排气控制阀13打开，所述液体工质回送系统3将由所述液压动力机构2排出的所述液体工质6回送到所述气液缸1内，再将所述排气控制阀13关闭，在设有所述气体工质控制阀12的结构中所述气体工质控制阀12打开，进入下一循环。
实施例2
如图2所示的液体活塞液气发动机，其与实施例1的区别是：在所述气液缸1上设气液缸工质吸热热交换器20。
实施例3
如图3所示的液体活塞液气发动机，其与实施例1的区别是：包括气液缸1、液压动力机构2、液体工质回送系统3和液体气源8，所述液体气源8依次经所述高压液体泵9、液体吸热热交换器10、液体工质控制阀15与所述气液缸1连通，所述液体气源8内的液体被定量导入所述气液缸1并在所述气液缸1内气化形成所述气体工质7；在所述气液缸1上设气液缸工质吸热热交换器20。
在所述气液缸1上设排气口11，在所述排气口11处设排气控制阀13，所述气液缸1上设液体工质出口4和液体工质回流口5，所述液体工质出口4与所述液压动力机构2的动力液体入口连通，所述液压动力机构2的液体出口与所述液体工质回送系统3的液体入口连通，所述液体工质回送系统3的液体出口与所述液体工质回流口5连通，在所述气液缸1内的液体工质6的作用与传统活塞式发动机中的活塞的密封和传力作用相同，在所述气液缸1内的气体工质7和所述液体工质6的相互作用关系与传统活塞式发动机中的气态工质和活塞的作用关系相同。
在一个工作循环的某一过程中，所述气体工质7对所述液体工质6施压迫使所述液体工质6推动所述液压动力机构2对外作功，在同一个工作循环的另一过程中所述液体工质回送系统3将所述液体工质6经所述液体工质回流口5回流到所述气液缸1内，所述气体工质7在所述气液缸1内膨胀作功后所述排气控制阀13打开，膨胀作功后的所述气体工质7经所述排气口11排出所述气液缸1。
所述液压动力机构2、所述液体工质控制阀15、所述液体工质回送系统3和所述排气控制阀13受过程控制机构14控制协调工作实现：所述气体工质7在所述气液缸1内对所述气液缸1内的所述液体工质6施加压力，所述气液缸1内的所述液体工质6推动所述液压动力机构2对外输出动力，在所述气液缸1内的所述液体工质6减少到设定程度时所述排气控制阀13打开，所述液体工质回送系统3将由所述液压动力机构2排出的所述液体工质6回送到所述气液缸1内，再将所述排气控制阀13关闭，所述液体工质控制阀15打开，进入下一循环。                                   
实施例4
如图4所示的液体活塞液气发动机，其与实施例3的区别是：在所述气液缸1内设所述液体气源8内的液体导入管88，所述液体导入管88与所述液体工质控制阀15连通，所述液体导入管88将所述液体气源8内的液体导入所述气液缸1的所述液体工质6中，所述液体气源8内的液体在所述液体工质6中吸热气化形成所述气体工质7。
实施例5
如图5所示的液体活塞液气发动机，其与实施例1的区别是：所述气液缸1设为圆桶形气液缸101，所述圆桶形气液缸101的底部设为内凸圆柱形底岛4050，所述内凸圆柱形底岛4050的直径小于所述圆桶形气液缸101的内径，在所述内凸圆柱形底岛4050与所述圆桶形气液缸101之间构成环形空腔200，在所述圆桶形气液缸101内设高裙活塞式隔板300，所述高裙活塞式隔板300的裙部设置于所述环形空腔200内，所述高裙活塞式隔板300的裙部与所述圆桶形气液缸101的内壁和所述内凸圆柱形底岛4050的外壁分别滑动密封接触，在所述高裙活塞式隔板300和所述内凸圆柱形底岛4050构成密封空间400，所述液体工质6在所述密封空间400内工作，所述液体工质出口4和所述液体工质回流口5设在所述内凸圆柱形底岛4050的顶壁上。
实施例6
如图6所示的液体活塞液气发动机，其与实施例1的区别是：在所述气液缸1上设转动轴102，在所述气液缸1上设转动驱动结构103，所述气液缸1在所述转动驱动结构103的作用下绕所述转动轴102作旋转运动以实现在离心力的作用下所述气体工质7和所述液体工质6处于良好分离状态，所述气体工质7和所述液体工质6分别通过旋转接头104进出所述气液缸1。
显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种液体活塞液气发动机，包括气液缸（1）、液压动力机构（2）、液体工质回送系统（3）和液体气源（8），其特征在于：所述液体气源（8）依次经高压液体泵（9）、液体吸热热交换器（10）与所述气液缸（1）连通；
在所述气液缸（1）上设排气口（11），在所述排气口（11）处设排气控制阀（13），所述气液缸（1）上设液体工质出口（4）和液体工质回流口（5），所述液体工质出口（4）与所述液压动力机构（2）的动力液体入口连通，所述液压动力机构（2）的液体出口与所述液体工质回送系统（3）连通，所述液体工质回送系统（3）与所述液体工质回流口（5）连通。
2.如权利要求1所述液体活塞液气发动机，其特征在于：在所述液体吸热热交换器（10）与所述气液缸（1）的连通通道上设有气体工质控制阀（12）。
3.如权利要求1所述液体活塞液气发动机，其特征在于：在所述液体吸热热交换器（10）与所述气液缸（1）的连通通道上设有液体工质控制阀（15）。
4.如权利要求1所述液体活塞液气发动机，其特征在于：在所述气液缸（1）上设气液缸工质吸热热交换器（20）。
5.如权利要求2所述液体活塞液气发动机，其特征在于：所述液压动力机构（2）、所述气体工质控制阀（12）、所述液体工质回送系统（3）和所述排气控制阀（13）受过程控制机构（14）控制。
6.如权利要求3所述液体活塞液气发动机，其特征在于：所述液压动力机构（2）、所述液体工质控制阀（15）、所述液体工质回送系统（3）和所述排气控制阀（13）受过程控制机构（14）控制。
7.如权利要求3所述液体活塞液气发动机，其特征在于：在所述气液缸（1）内设有液体导入管（88），所述液体导入管（88）与所述液体工质控制阀（15）连通。
8.如权利要求1所述液体活塞液气发动机，其特征在于：所述气液缸（1）设为圆桶形气液缸（101），所述圆桶形气液缸（101）的底部设为内凸圆柱形底岛（4050），所述内凸圆柱形底岛（4050）的直径小于所述圆桶形气液缸（101）的内径，在所述内凸圆柱形底岛（4050）与所述圆桶形气液缸（101）之间构成环形空腔（200），在所述圆桶形气液缸（101）内设高裙活塞式隔板（300），所述高裙活塞式隔板（300）的裙部设置于所述环形空腔（200）内，所述高裙活塞式隔板（300）的裙部与所述圆桶形气液缸（101）的内壁和所述内凸圆柱形底岛（4050）的外壁分别滑动密封接触在所述高裙活塞式隔板（300）和所述内凸圆柱形底岛（4050）构成密封空间（400），所述液体工质（6）在所述密封空间（400）内工作，所述液体工质出口（4）和所述液体工质回流口（5）设在所述内凸圆柱形底岛（4050）的顶壁上。
9.如权利要求1所述液体活塞液气发动机，其特征在于：在所述气液缸（1）上设转动轴（102），在所述气液缸（1）上设转动驱动结构（103），所述气液缸（1）在所述转动驱动结构（103）的作用下绕所述转动轴（102）作旋转运动以实现在离心力的作用下所述气体工质（7）和所述液体工质（6）处于良好分离状态，所述气体工质（7）和所述液体工质（6）分别通过旋转接头（104）进出所述气液缸（1）。
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