CN102518513A - 液控移动活塞式发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液控移动活塞式发动机；单元活塞组件中，各有气缸，移动活塞，油缸。移动活塞的受油端接口，分别对应旋转曲轴连杆机构上往复容积泵的接口。转动曲轴，容积泵的变化直接耦合到活塞上，准确控制移动活塞运动方向，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。通过简单的方式将移动活塞可控，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

液控移动活塞式发动机

技术领域

本发明涉及一种发动机，具体的说，涉及一种液控移动活塞式发动机。

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，尤其密封也没有根本性的解决。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。有关这方面报道见《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，传动效率高的液控移动活塞式发动机。

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种液控移动活塞式发动机，包括曲轴连杆机构、配气装置和喷油点火装置，具有至少一个单元移动活塞组件，所述的单元移动活塞组件的前端为气缸，后端为与所述的气缸连接的油缸，所述的配气装置和所述的喷油点火装置安装在所述的气缸上，移动活塞设置在所述的气缸和所述的油缸内且所述的移动活塞的尾部处于所述的油缸内，所述的移动活塞的侧壁与所述的油缸之间形成有回油腔，所述的移动活塞的尾部与所述的油缸之间形成有压力油腔，往复式双容积泵的活塞杆与所述的曲轴连杆机构传动连接，所述的压力油腔与所述的往复式双容积泵的一个油腔连通，所述的回油腔与所述的往复式双容积泵的另一个油腔连接。

为了解决上述技术问题，本发明提供的另一种液控移动活塞式发动机，包括曲轴连杆机构、配气装置和喷油点火装置，具有二个单元移动活塞组件，每个所述的单元移动活塞组件的前端为气缸，后端为与所述的气缸连接的油缸，所述的配气装置和所述的喷油点火装置安装在所述的气缸上，移动活塞设置在所述的气缸和所述的油缸内且所述的移动活塞的尾部处于所述的油缸内，所述的油缸的端部设有插入到所述的移动活塞的尾部内孔的柱塞，所述的移动活塞的侧壁与所述的油缸之间形成有回油腔，所述的移动活塞的尾部与所述的油缸之间形成有压力油腔，往复式双容积泵的活塞杆与所述的曲轴连杆机构传动连接，二个所述的单元移动活塞组件的所述的压力油腔相通，二个所述的单元移动活塞组件的其中一个所述的回油腔与所述的往复式双容积泵的一个油腔连通，另一个所述的回油腔与所述的往复式双容积泵的另一个油腔连接。

液压泵的出口连接单向阀的进口后与所述的回油腔连接。

所述的配气装置的结构是：所述的油缸的端部设有插入到所述的移动活塞的尾部内孔的柱塞，在所述的移动活塞的尾部内孔与所述的柱塞之间形成有扫气室，在所述的柱塞的端部设有进气阀和排气阀，所述的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，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，气缸设有气缸排气口。

蓄能器的一个油腔与所述的往复式双容积泵的一个油腔连通，所述的蓄能器的另一个油腔与所述的往复式双容积泵的另一个油腔连接。

采用上述技术方案的液控移动活塞式发动机，气缸部位形成燃烧室，用于气体膨胀做功，能量转换。气缸径向方向上开有进气口和排气口，用于气体交换，前端端盖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移动活塞运动及方向。压力油腔另一作用则是将移动活塞受到的膨胀的气体压力变成液压能并传递出去。移动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，在进气阀和排气阀的作用下，不断将新鲜空气吸入，以压缩空气形式排出，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，过程是由曲轴及曲轴上的附件完成。

曲轴连杆机构上相关联通过齿轮，飞轮连接启动马达，构成启动系统，通过链轮(同步带)连接喷油泵，喷油器构成供油油点火系统，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。

曲轴连杆机构连接一往复式双容积油泵，容积油泵接口分别对应油缸的压力油腔和回油腔，曲轴连杆机构旋转，往复式双容积泵前后两容积变化，直接耦合到移动活塞上，引起移动活塞左右移动，完成进气-压缩-膨胀做功-排气过程。反之移动活塞的左右移动则通过压力油腔作用到往复式双容积泵上，这时泵就相当一油马达，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，移动活塞运动是可控，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。多组移动活塞运动能够做到速度相同，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是本发明的整体结构及原理示意图。

图2是描述本发明一种工作状况整体结构示意图。

图3是本发明多缸发动机整体结构及原理图示意图。

图4是本发明双缸及偶数级发动机整体结构原理示意图。

图5是本发明移动活塞后端受油端为实体，前端泵气结构示意图。

图6是本发明采用常规气门配气机构示意图。

图7是本发明采用外置式空气压缩机配气机构示意图。

图8是本发明往复式容积泵采用曲轴连杆机构结构示意图。

图9是本发明往复式容积泵采用凸轮结构示意图。

图10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10，第一单元移动活塞组件1的前端为气缸2，气缸2设有燃烧室3，后端为与气缸2连接的油缸8，喷油点火装置21安装在气缸2上，移动活塞9设置在气缸2和所述的油缸8内且移动活塞9的尾部处于油缸8内，油缸8的端部设有插入到移动活塞9的尾部内孔的柱塞11，移动活塞9的侧壁与油缸8之间形成有回油腔7，移动活塞9的尾部与油缸8和柱塞11之间形成有压力油腔10，压力油腔10设有旁路，旁路在移动活塞9下止点时连通压力油腔10与回油腔7，往复式双容积泵15的活塞杆与曲轴连杆机构19传动连接，压力油腔10与往复式双容积泵15的一个油腔连通，回油腔7与往复式双容积泵15的另一个油腔连接，液压泵16与曲轴连杆机构19传动连接，液压泵16的出口连接单向阀14的进口后与回油腔7连接，液压泵16的出口连接溢流阀17，在移动活塞9的尾部内孔与柱塞11之间形成有扫气室6，在柱塞11的端部设有进气阀13和排气阀12，排气阀12连接有储气罐4的进气端，储气罐4的出气端与气缸2上的气缸进气口5连接，气缸2设有气缸排气口22。蓄能器23的一个油腔与往复式双容积泵15的一个油腔连通，蓄能器23的另一个油腔与往复式双容积泵15的另一个油腔连接，曲轴连杆机构19传动连接有起动装置18和喷油泵组件20。

参见图10，在每组液压回路中回油腔7与压力油腔10之间添加一蓄能器23，用于缓冲点火膨胀做功冲程初始压力峰值及增压式发动机自动调整压缩比。

参见图3，当曲轴连杆机构19传动连接有二组单元移动活塞组件，即第一单元移动活塞组件1和第二单元移动活塞组件25，单元移动活塞组件1和单元移动活塞组件25采用并联，第一单元移动活塞组件1和第二单元移动活塞组件25的移动活塞9运行相反，即一个吸气时另一个排气。在单缸基础上，增加曲轴连杆机构拐点数量，对应增加单元活塞组件数量，则形成多缸液控发动机。

参见图4和图8，具有第一单元移动活塞组件1和第二单元移动活塞组件25，每个单元移动活塞组件的结构是：前端为气缸2，气缸2设有燃烧室3，后端为与气缸2连接的油缸8，喷油点火装置21安装在气缸2上，移动活塞9设置在气缸2和油缸8内且移动活塞9的尾部处于油缸8内，油缸8的端部设有插入到移动活塞9的尾部内孔的柱塞11，移动活塞9的侧壁与油缸8之间形成有回油腔7，移动活塞9的尾部与油缸8和柱塞11之间形成有压力油腔10，压力油腔10设有旁路，旁路在移动活塞9下止点时连通压力油腔10与回油腔7，往复式双容积泵15的活塞杆与曲轴连杆机构19传动连接，第一单元移动活塞组件1和第二单元移动活塞组件25的压力油腔10相通，第一单元移动活塞组件1的回油腔7与往复式双容积泵15的一个油腔连通，第二单元移动活塞组件25的回油腔7与往复式双容积泵15的另一个油腔连接，液压泵16与曲轴连杆机构19传动连接，液压泵16的出口连接单向阀14的进口后与第一单元移动活塞组件1和第二单元移动活塞组件25的回油腔7连接，液压泵16的出口连接溢流阀17，曲轴连杆机构19传动连接有起动装置18和喷油泵组件20。在第一单元移动活塞组件1和第二单元移动活塞组件25的移动活塞9的尾部内孔与柱塞11之间形成有扫气室6，在柱塞11的端部设有进气阀13和排气阀12，排气阀12连接有储气罐4的进气端，储气罐4的出气端与气缸2上的气缸进气口5连接，气缸2设有气缸排气口22。在本发明液控式发动机中，每两组单元活塞组件共用一组往复容积泵，省去一组往复容积泵，两组单元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，本发明移动活塞9后端受油端多种方式，可为空心或实体，本发明的移动活塞9后端受油端为实体，前端泵气结构。

参见图6，本发明发动机配气方式多种，可用气缸气口配气也可用常规气门，凸轮摇臂机构等方式配气组成4冲程液控活塞式发动机，及气门及气口组合成直流扫气式液控发动机，图6是常规气门配气方式。

参见图7，第一单元移动活塞组件1和第二单元移动活塞组件25的配气装置的结构是：空气压缩机24与曲轴连杆机构19传动连接，空气压缩机24的出口与储气罐4的进气端连接，储气罐4的出气端与气缸2上的气缸进气口5连接，气缸2设有气缸排气口22。

参见图9，本发明的往复式双容积泵15采用凸轮结构。

图1及图8，图9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8为曲轴连杆机构往复式容积泵，图9为凸轮机构往复式容积泵。

以下结合附图对本发明作进一步说明。

旋转曲轴连杆机构19关联起动装置18和关联供油系统20连动往复式双容积泵15。

所有泵气后压缩空气由储气罐4收集；

曲轴连杆机构19通过带轮连动液压泵16液压油通过单向阀14分别导入油缸的回油腔7形成的管路内，旁通设有一溢流阀17。

参照图8及图1，一种往复式双容积泵组成的往复式双容积泵，将泵分成左右两容积油腔，油口分别对应第单元活塞组件的回油腔7和压力油腔10的接口，转动曲轴连杆机构19，左右两容积油腔的变化，则引起移动活塞9的前后移动变化，反之，移动活塞9的前后运动则引起曲轴连杆机构19的旋转运动。

本发明的工作原理：起动装置18起动，带动曲轴连杆机构19旋转，从而带动往复式双容积泵15运动，造成容积泵左右容积腔变化，往复容积泵15的油口分别对应单元活塞组件中油缸的回油腔7与压力油腔10受油口，往复式双容积泵15的容积变化直接耦合到移动活塞9的移动。

参见图1：

过程一，起动装置18起动，带动曲轴连杆机构19旋转，往复式双容积泵15的活塞位置位可先假设于靠近内止点前端。

第一单元移动活塞组件1，移动活塞9向外移动，燃烧室3容积增大，进气阀13关闭，排气阀12打开。扫气腔6开始泵气以压缩空气排出，到储气罐4收集。

过程二，转动曲轴连杆机构19至一定角度，往复式双容积泵15的内止点。

第一单元移动活塞组件1，燃烧室3容积增至最大。移动活塞9移动至最外端外止点，气缸进气口5打开，气缸排气口22打开，压缩空气由储气罐4经气缸进气口5扫气，完成配气过程，扫气腔6完成泵气，开始吸气。

参见图2：

过程三，转动曲轴连杆机构19至一定角度，至往复式双容积泵15活塞的外止点。

第一单元移动活塞组件1，燃烧室3压缩至最小，曲轴连杆机构19带动喷油泵组件20泵油，通过喷油点火装置21喷油，着火膨胀做功，推动移动活塞9向外移动，通过压力油腔10推动往复式双容积泵15运动，作用于曲轴连杆机构19转为旋转运动，并对外输出动力。进气阀13关闭，排气阀12打开，扫气室6完成吸气开始泵气。

过程四，往复式双容积泵15活塞受力做功由外止点向内止点移动，带动曲轴连杆机构19旋转至一定角度。

第一单元移动活塞组件1，燃烧室3逐渐增大，移动活塞9膨胀做功至最外端，外止点位置。进气阀13关闭，排气阀12打开，扫气腔6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19带动液压泵16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17排除。

图10是在每组循环油路中，回油腔与压力油腔之间添加蓄能器23，可缓冲移动活塞9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。

Claims (10)

1.一种液控移动活塞式发动机，包括曲轴连杆机构(19)、配气装置和喷油点火装置(21)，其特征是：具有至少一个单元移动活塞组件，所述的单元移动活塞组件的前端为气缸(2)，后端为与所述的气缸(2)连接的油缸(8)，所述的配气装置和所述的喷油点火装置(21)安装在所述的气缸(2)上，移动活塞(9)设置在所述的气缸(2)和所述的油缸(8)内，所述的移动活塞(9)的侧壁与所述的油缸(8)之间形成有回油腔(7)，所述的移动活塞(9)的尾部与所述的油缸(8)之间形成有压力油腔(10)，往复式双容积泵(15)的活塞杆与所述的曲轴连杆机构(19)传动连接，所述的压力油腔(10)与所述的往复式双容积泵(15)的一个油腔连通，所述的回油腔(7)与所述的往复式双容积泵(15)的另一个油腔连接。

2.根据权利要求1所述的液控移动活塞式发动机，其特征是：液压泵(16)的出口连接单向阀(14)的进口后与所述的回油腔(7)连接。

3.根据权利要求1或2所述的液控移动活塞式发动机，其特征是：所述的配气装置的结构是：所述的油缸(8)的端部设有插入到所述的移动活塞(9)的尾部内孔的柱塞(11)，在所述的移动活塞(9)的尾部内孔与所述的柱塞(11)之间形成有扫气室(6)，在所述的柱塞(11)的端部设有进气阀(13)和排气阀(12)，所述的排气阀(12)连接有储气罐(4)的进气端，所述的储气罐(4)的出气端与所述的气缸(2)上的气缸进气口(5)连接，气缸(2)设有气缸排气口(22)。

4.根据权利要求1或2所述的液控移动活塞式发动机，其特征是：所述的配气装置的结构是：空气压缩机(24)与所述的曲轴连杆机构(19)传动连接，所述的空气压缩机(24)的出口与储气罐(4)的进气端连接，所述的储气罐(4)的出气端与所述的气缸(2)上的气缸进气口(5)连接，气缸2设有气缸排气口(22)。

5.根据权利要求1或2所述的液控移动活塞式发动机，其特征是：蓄能器(23)的一个油腔与所述的往复式双容积泵(15)的一个油腔连通，所述的蓄能器(23)的另一个油腔与所述的往复式双容积泵(15)的另一个油腔连接。

6.一种液控移动活塞式发动机，包括曲轴连杆机构19、配气装置和喷油点火装置(21)，其特征是：具有二个单元移动活塞组件，每个所述的单元移动活塞组件的前端为气缸(2)，后端为与所述的气缸(2)连接的油缸(8)，所述的配气装置和所述的喷油点火装置(21)安装在所述的气缸(2)上，移动活塞(9)设置在所述的气缸(2)和所述的油缸(8)内，所述的移动活塞(9)的侧壁与所述的油缸(8)之间形成有回油腔(7)，所述的移动活塞(9)的尾部与所述的油缸(8)之间形成有压力油腔(10)，往复式双容积泵(15)的活塞杆与所述的曲轴连杆机构(19)传动连接，二个所述的单元移动活塞组件(1)的所述的压力油腔(10)相通，二个所述的单元移动活塞组件的其中一个所述的回油腔(7)与所述的往复式双容积泵(15)的一个油腔连通，另一个所述的回油腔(7)与所述的往复式双容积泵(15)的另一个油腔连接。

7.根据权利要求6所述的液控移动活塞式发动机，其特征是：液压泵(16)的出口连接单向阀(14)的进口后与所述的回油腔(7)连接。

8.根据权利要求6或7所述的液控移动活塞式发动机，其特征是：所述的配气装置的结构是：所述的油缸(8)的端部设有插入到所述的移动活塞(9)的尾部内孔的柱塞(11)，在所述的移动活塞(9)的尾部内孔与所述的柱塞(11)之间形成有扫气室(6)，在所述的柱塞(11)的端部设有进气阀(13)和排气阀(12)，所述的排气阀(12)连接有储气罐(4)的进气端，所述的储气罐4的出气端与所述的气缸(2)上的气缸进气口(5)连接，气缸(2)设有气缸排气口(22)。

9.根据权利要求6或7所述的液控移动活塞式发动机，其特征是：所述的配气装置的结构是：空气压缩机(24)与所述的曲轴连杆机构(19)传动连接，所述的空气压缩机(24)的出口与储气罐(4)的进气端连接，所述的储气罐(4)的出气端与所述的气缸(2)上的气缸进气口(5)连接，气缸2设有气缸排气口(22)。

10.根据权利要求6或7所述的液控移动活塞式发动机，其特征是：蓄能器(23)的一个油腔与所述的往复式双容积泵(15)的一个油腔连通，所述的蓄能器(23)的另一个油腔与所述的往复式双容积泵(15)的另一个油腔连接。

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