CN106050410A - 一种对撞式活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对撞式活塞发动机，包括两个水平对置的密封气缸，两所述气缸内设有一双头活塞以及贯穿两气缸中轴线的气管，还包括与活塞连接的双面齿齿条、由锥形齿轮以及轮形齿轮构成的偶数个伞形齿轮、单向齿轮组，齿条与轮形齿轮啮合，锥形齿轮与单向齿轮组联动；该单向齿轮组中贯穿设有总输出轴。本发明的有益效果：整体体积小、效率高环保节能、且其泛用性高。

Description

一种对撞式活塞发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种对撞式活塞发动机。

背景技术

传统车载发动机一般为四冲程内燃机，采用直列或 V 型气缸布置形式，从其结构特征分析，一是其曲轴和凸轮轴较长，转动惯量大，转速受限制，功率难以提高；二是各缸的非对称结构，使其自平衡性较差，需要配装平衡轴来削弱机体的震动；三是传统车载发动机做功由曲柄连杆机构输出，动力输出的平顺性差。另外，传统车载发动机燃料燃烧后三分之二的能量被冷却机构及高温排放气体带走，热效率较低。传统车载发动机还存在体积大，重心高的弊病，既不利于整车的稳定性，也使得车体造型难以与空气动力学特性匹配。

一种公开号为 201236744的中国专利公开了“一种二冲程水平对置双轴发动机”，其整体为方形，气缸体与曲轴箱铸为一体；两组水平对置在气缸中的陶瓷活塞与气缸壁无接触的直线往复运动经环形滑动曲柄有效转变为曲轴的旋转运动，并经设于曲轴末端的链带齿轮传动机构集中统一向外输出动力 ；各缸气缸套上下侧设有若干新型减磨进排气门 ；两旋转排气阀及同轴串联、同步运行的排气增压器设于气缸体中部下侧；采用电控缸内直喷燃油系统提供燃料。在该技术方案基础上，一种公开号为102619621A、名称为“对二冲程水平对置双轴发动机的改进”的中国专利又对其曲柄连杆机构进行了改进，利用旋转排气阀对排气门的封闭作用和活塞与气缸壁无直接接触运行的特点，取消失去封闭气口和气缸导向功能的裙部，采用空芯圆形连杆、带上位标记的浅星云燃烧室、在活塞内腔设支撑筋 ；将使活塞连杆组质量减轻三分之一、抗疲劳磨损和拉压应力性能提高、缸壁与活塞环磨损更小；同时，利用取消裙部腾出的行程，对相关部件改进，将在工作容积相同情况下减少发动机宽度和质量。上述技术方案虽然在一定程度上缓解了传统发动机在布置及提高热效率、降低排放方面存在的问题；但其结构复杂、零部件数量多、制造及运行成本高，另外，它也不能从根本上解决动力输出平顺性的问题。

不难看出现有技术存在诸多缺陷，故现有技术有待改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种整体体积小、效率高环保节能、且其泛用性高的对撞式活塞发动机。

本发明的技术解决方案是：一种对撞式活塞发动机，包括两个水平对置的密封气缸，两所述气缸内设有一双头活塞以及贯穿两气缸中轴线的气管，还包括与活塞连接的双面齿齿条、由锥形齿轮以及轮形齿轮构成的偶数个伞形齿轮、单向齿轮组，齿条与轮形齿轮啮合，锥形齿轮与单向齿轮组联动；该单向齿轮组中贯穿设有总输出轴。

所述气管为设有横管与竖管的十字联通结构，横管两侧端均带有电磁阀气门。用以控制进气以及排气。

所述竖管为排气管。其也可以用作连接管在多组气缸同时工作时，竖管应相互连接形成一组排气气路。

所述单向齿轮组包括双面伞形齿轮，其齿面为与所述锥形齿轮的齿面相适配的外凸斜面。

所述双面伞形齿轮中心开设有用于放置超越离合器的安装孔。

所述总输出轴置于所述超越离合器中心部分。

所述气缸可以是多组。

本发明的有益效果：

整体体积小、效率高环保节能、且其泛用性高。

附图说明

图1为本发明单组气缸以及活塞、气管结构俯视透视图；

图2为本发明单一组活塞与一组首级传动组合的侧视图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明齿条与伞形齿轮配合结构示意图；

图5图4的俯视图；

图6本发明多组齿条与伞形齿轮配合结构示意图；

图7为图6俯视图；

图8为本发明伞形齿轮与单向齿轮组配合结构示意图；

图9为本发明五组活塞（共10个气缸）组成的发动机侧视结构图。

具体实施方式

参阅图1-9，一种对撞式活塞发动机，包括两个水平对置的密封气缸1，两气缸1内设有一双头活塞2以及贯穿两气缸1中轴线的气管3，还包括与活塞2连接的双面齿齿条4、由锥形齿轮51以及轮形齿轮52构成的偶数个伞形齿轮5、单向齿轮组6，齿条4与轮形齿轮51啮合，锥形齿轮51与单向齿轮组6联动；该单向齿轮组6中贯穿设有总输出轴7。气管3为设有横管31与竖管32的十字联通结构，横管31两侧端均带有电磁阀气门。竖管32为排气管；单向齿轮组6包括双面伞形齿轮61，其齿面为与锥形齿轮51的齿面相适配的外凸斜面。双面伞形齿轮61中心开设有用于放置超越离合器的安装孔62。总输出轴7置于超越离合器中心部分。气缸1可以是多组。

实施例1：

图1为单组气缸以及活塞、气管结构俯视透视图，由左侧气缸A以及右侧气缸B组成的活塞组甲（在本发明实施例中，第二组气缸定义为C缸与D缸）。左侧活塞A与右侧活塞B，以及其中间连接结构组成一体化活塞结构（同气缸部分，第二组气缸配套的活塞定义为活塞C与活塞D），因由AB活塞为一体化，故整体结构记为活塞甲组，同理CD活塞为活塞乙组,单组气管为十字联通，横管31最左侧与最右侧带有电磁阀气门，用于进气，同时附有另一组电磁阀气门用于排气，竖管32为排气管以及连接管，在多组气缸共同工作时，竖管32应相互连接形成一组排气气路以竖管32为基准对正，将气缸1位置固定，随后与活塞2相连接的首级传动结构如图2，图2为单一组活塞与一组首级传动组合的侧视图，图3为组合的俯视图（应为仰视）首级传动结构以活塞组为基准固定，活塞2组中央的连接部分为栅栏状（中空且边框有空隙）活塞亦为中空圆柱体，即管状体，中空部分用于排气管横管31的通过，同时利用排气管来限制活塞的位置。

首级传动结构的输出部分为一根双面齿齿条4，齿条4与活塞组固定的部分应接触齿条无齿的一面。齿条作用为，接受来自活塞往复运动的往复动力，输出于齿轮，一方面与其他齿条（活塞）进行同步，一方面将往复力转换为半周的圆周运动，因由活塞的往复运动，齿轮的运动方式为-正转半周，反转半周，以此循环，由于伞形齿轮5的连接-力转换作用，相邻两根齿条4（两组活塞）的运动方向相反，即活塞甲组做东方向运动时，活塞乙组做西方向运动，而与活塞2甲组间隔活塞乙组的活塞丙组（由活塞EF组成的第三组活塞）则做东方向运动，以此类推。

伞形齿轮5上半部分为锥形齿轮，下半部分为轮形齿轮，轮形齿轮与齿条直接接触并传输来自齿条输出的往复力，伞形齿轮5则用于下一级传动结构的动力输入最终输出部分为单向齿轮组分为外轮和内轴两部分，外轮为双面伞形轮，外侧伞形与的伞形轮相接触以将来自伞形齿轮5的动力转换为垂直方向齿轮为双面伞形轮结构，用于将伞形齿轮5的动力转换为垂直方向。齿轮中心部分有较大孔洞，用于安装超越离合器。

超越离合器是目前机械制造业尤其是汽车制造业常用的一种离合器，其大致功能为，当外（或内）轮沿某一方向转动时，几乎不对内（或外）轮施力，而当沿相反方向转动时，则传递全部的力向内（或外）轮，一般用作将往复方向旋转的力过滤转换为单一旋转方向的力。此处不再累述。

超越离合器外侧与齿轮结合，内侧与总输出轴结合，总输出上可以同时拥有多个超越离合器，但所有超越离合器的锁定方向必须一致，用于将经过多层传动的往复圆周旋转转换成单方向圆周旋转，最终输出为连续的单方向圆轴旋转力作为对外输出。

实施例2：

对撞式活塞气缸发动机的传动传导，图9为五组活塞（共10个气缸）组成的发动机侧视结构，可见前文提及的各个部分。

由图可见整体动力的传导公式为：

来自工质做功产生将活塞做往复活塞运动的直线力-（双头活塞1）-齿条4往复运动的直线力-（伞形齿轮5环状部分）-伞形齿轮5顺时针/逆时针交替旋转的圆周力-（伞形齿轮6与单向齿轮组6外轮）-单向齿轮组6内轮7与总输出轴7的单向、连续性圆周力。（括号内为实际传动部分）

从而由工质最初的无序能量转换为人类常用的圆周力能量，实现能量的利用用以推动活塞做往复运动的力，可以来自：（经由气缸定向）急剧燃烧，体积快速膨胀的气体（比如汽油的燃烧、柴油的燃烧）源于其他系统的高能量气体（比如由核电站反应堆产生的高压水蒸气、其他高压水蒸气）具有膨胀趋势的液体等（比如由于页面产生了流动趋势的液体——实例为水坝等）整体归类为“具有各向异性膨胀趋势的流体”

实施例3：

均质压燃汽油发动机（两组四缸）的整体工作流程定义项：左上气缸为A缸，右上B,左下C，右下D缸上侧活塞为活塞A，下侧为活塞BA缸进气阀为进气A，排气阀为排气A同理于BCD缸与活塞A直接结合的直齿条A,与活塞B直接结合的直齿条B图例共三组传动装置，位于AB缸上方的甲组；位于AB下方，CD上方的乙组；位于CD缸下方的丙组，其组件分别命名为伞形齿轮5甲（乙丙），单向齿轮组6甲（乙丙），超越离合器（下简写为超越）甲（乙丙）。以及甲乙丙三组传动共享的总输出轴7阀门未提及打开/关闭状态则默认为关闭冷启动：进气A打开，由储气瓶（外围设备）驱动的涡轮增压注入油气均质，进气A关闭进气B、C打开，由储气瓶直接注入高压废气（由上次运行收集），排气D打开活塞A受到力向左侧运动，活塞B受到力向右侧运动齿条A向左侧运动，齿条B向右侧运动与齿条A、B分别接触的伞形齿轮5乙受到齿条A、B的共同作用，呈逆时针方向旋转伞形齿轮5甲丙分别受齿条AB作用而呈顺时针方向旋转

因由排气D为打开状态，BC缸的高压废气产生的力绝大部分（忽略各部分阻力则为全部力）做功于A缸的油气均质，将均质压缩至极限A缸工质达到压缩比临界值，发生压燃现象，进气B关闭，排气B打开，进气C改为注入来自涡轮的油气均质，注入后进气C关闭A缸工质做功将活塞A向右侧推动，力经由齿条A-伞形齿轮5乙-齿条B，将活塞B向左侧推动，压缩C缸工质接下来为C缸压燃随后压缩D缸，D缸压燃压缩B缸，B缸压燃ABCD全部缸完成启动持续做功部分为AD/BC缸交替做功-压缩循环，AD缸一方面对外做功一方面将BC缸压缩/BC缸对外做功时亦同时将AD缸压缩，活塞AB分别以相反方向做往复运动，伞形齿轮5甲乙丙分别以相邻齿轮方向相反做顺时针/逆时针交替旋转，单向齿轮组6甲乙丙亦如此，超越离合器甲乙丙由于超越离合器的转换功能，内侧做连续的转动，方向以超越离合器的设置方向为准，总输出轴7遵循超越离合器而运动，整个由直线往复运动转换到连续圆周运动的传动结构到此结束

按设计结构理论性分析对撞式活塞发动机相比当前主流发动机的优势根据目前市面运用情况，分为对撞式/曲轴发动机的结构对比以及对撞式活塞发动机/燃气轮机的结构对比

一、对撞式活塞发动机与曲轴发动机的结构分析

对撞式活塞发动机与标准的曲轴发动机的根本性区别在于活塞与活塞之间的联动对撞式活塞发动机以每两个活塞为一组（按照传统分类方式将单一气缸中的活塞认为独立个体），一组活塞直接承担两个对置气缸的做功流程，在没有其他传动装置的情况下亦可正常运行，且结构极其简单，没有多余的结构来出现类似能量消耗的弊端。曲轴发动机核心部件为曲轴，曲轴既承担了活塞与活塞的联动，亦作为动力转换装置，结构亦为简单，但是.......最早期的热机曲轴模型来自蒸汽机，以瓦特改良的连动蒸汽机引领的第一次工业革命影响非常深厚，在某种意义上亦为曲轴的后世广泛运用打下基础。早期的曲轴由于发动机功率较低，曲轴简单的结构带来非常大的成本优势，以及简单结构的稳定性优势，而在当前时代背景下，以曲轴为核心的发动机系列出现了一个瓶颈，由于当前发动机功率愈发提升，对运行的平稳要求愈发高涨，曲轴若想提高运行的连续稳定性，最适当的方法是不断增加气缸组数，而这个方法的弊端是在活塞数目增加时，曲轴的制造难度相应增加。关于曲轴与对撞式活塞的单做功部分受力分析曲轴式，由于曲轴的圆周形状，在一个运行周期中，活塞对圆周的输出并非一个平缓的下滑线，由于活塞运动方向与曲轴受力方向的角度不断改变，在几个特定角度时会出现活塞的能量几乎不对曲轴做有用功的情况（最直接角度为0度与180度）此时在气缸数目较少的情况下只能靠曲轴外接飞轮的惯性强行将活塞运行，而在多气缸情况下可以出现其他气缸代替进入做无用功的气缸对曲轴做功的情况，但正如前文所言，多气缸情况下曲轴的制造成本将大幅度增加，同时多气缸情况下即使看起来似乎每一个活塞的无用功时间都有别的活塞代替做功的情况，实际上这种情况的本质亦是有用功活塞消耗了额外能量将无用功活塞推动的情况对撞式，对撞式活塞由于一组活塞直接承担两个对置式气缸的全部运行流程，在运行过程，仅仅出现来自活塞与气缸壁摩擦力导致的阻力消耗能量的情况，但其有一定的缺点，就是一组对置式气缸的做功将对固定气缸的结构造成相对较大的力，不过在设计期间经过分析后，减小这个力的大小的最有效方法，便是通过提高工艺水平，改用合金、高分子材料等新型材料以最大化的减轻活塞的质量，同时改善润滑环境，将气缸做功时的能量用于克服各类阻力的无用功减到最小。对撞式活塞结构的做功部分固然效率非常高（因为结构相比曲轴更为简单），但致命缺点就是对现有绝大多数传动结构的不兼容，或者说绝大多数传动结构并非专门为对撞式活塞结构设计因而无法体现出对撞式活塞结构的优势甚至拖累活塞结构。在进行多次改动后最终采用的传动方案（见实施例1），主要通过齿轮结构进行传动，而在默认所有润滑效率都是100%的情况下，齿轮的传动效率亦为100%，换句话说就是整体传动结构的效率将大幅度取决于润滑情况。如此设计，一方面最优化的体现对撞式活塞结构对于其他活塞结构的结构优势，一方面最小化的减少额外传动（相比其他类发动机）带来的效率损耗，保持对撞式活塞结构相对于其他结构发动机的大幅度效率优势。

由于整个对撞式活塞发动机的受力均为直接受力，没有出现由于力的角度导致分力的情况，在理论模型中，当润滑效率达到100%或者极其接近100%时（比如未来可能出现的真空磁力轴承，高分子润滑材料），整体的效率亦将达到或极其接近100%效率。

对撞式活塞发动机/燃气轮机的结构对比对撞式活塞发动机结构解析跳过燃气轮机的出现，是为了弥补广泛适用的曲轴发动机由于工艺、结构限制导致的功率瓶颈情况，燃气轮机的整体概念为，将高能流体限制方向通过燃气轮叶片结构，带动燃气轮转动，从而直接将流体动能由直线方向运动转换为人类最适用的连续圆周运动。由当前燃气轮机对比早期燃气轮机的结构变化可以简单的看出燃气轮机的结构缺点随着工艺、科技的进步，燃气轮机最大的变化便是燃气轮叶片组数的增加，由于燃气轮只是通过倾斜的叶片将直线方向的力转换为圆周运动，于是在直线力触及倾斜叶片时出现了两个方向的分力，使燃气轮的整体效率下降，行之有效的解决方法也便是目前业界普遍采用的方法，不断增加燃气轮组数来增加力的转换效率，榨取高能流体的能量而由此出现了对撞式活塞发动机对于燃气轮机的优势由于在气缸中，高能流体的能量（动能部分）释放方向被限制为只对活塞做功，绝大部分的能量均被转换为圆周运动能量，即使只有单组气缸亦是如此。

而对于燃气轮机相比曲轴发动机的优势面，即功率上限，由于在对撞式活塞发动机中并非完全锁死各个活塞相对位置，在一定条件改动的情况下每组活塞均可以独立运行，从而出现在大功率情况下各气缸互不干扰的情况，同时由于做功结构的分散化，当某部分结构出现问题时可以将其直接从整个系统中隔离出来而不必停止整个系统（相比之下当大型燃气轮机的某个燃气轮叶片组出现问题时基本需要停止整个系统后进行维护工序），从而避免非结构性的能量无谓消耗。

实施例4：

关于将对撞式活塞发动机运用到大型发电设施（以核电作为蒸汽类发电的代表）一座核电站的主要做功流程：

核燃料能量-诱导的可控性裂变-重水内循环结构-蒸汽外循环结构-蒸汽的燃气轮机结构-大型发电机结构这是一个实际做功工质为蒸汽的动力装置需求

相比燃料动力装置，蒸汽动力装置的区别在于不需要工质在气缸（做功腔）内做剧烈燃烧的流程仅仅依靠工质（蒸汽）分子之间的斥力，对外表现为抗压缩力，或者膨胀力，主流思路为将斥力的膨胀方向通过做功腔结构设计进行限制，将其限制为单方向的力，再运用传动装置将其转换为人类最适用的圆周运动力......在使用对撞式活塞发动机作为传动装置时，主要需要控制的只是各个气缸的两枚气阀，通过特定的开启-关闭顺序实现与实施例2实例相同的运作方式

依旧按照实施例2实例中使用的元件标记设定依旧将未提及的气阀默认为关闭状态最初启动：进气AD打开，排气BC打开蒸汽进入AD气缸，活塞A向右侧运动，活塞B向左侧运动

随后发生的传动结构运动与实施例2实例冷启动第一部分相同AD缸内容积到达近似临界点，进气AD关闭，排气AD打开，进气BC打开，排气BC关闭

蒸汽进入BC气缸，活塞A向左侧运动，活塞B向右侧运动经由各传动装置的动力转换后，总输出轴7完成一次做功周期重新进入第一次循环：进气AD打开，排气AD关闭，排气BC打开，进气BC关闭以上为一次循环周期中出现的变量情况在超大规模的对撞式活塞发动机进行工作流程时，依旧按照上述步骤运行..........可见运行流程相当简单，且由前文所称，当部分做功部分出现故障时只需要将其从整体结构中隔离出来，不影响整体系统的持续运行，减少（非极端情况下可视为杜绝）非计划性的系统停车情况，减少不必要的能量消耗。

实施例5：

一组活塞气缸，对应两组伞形齿轮5以及下级传动装置的模拟环境理论效率计算（各数据按照当前公布的行业水平线为准，行业水平线数据来自互联网）行业滚动轴承的机械效率最低为0.95（以大多数为例，数据来自互联网）

本次模拟中共有4处需要滚动轴承，分别为：伞形齿轮5（每份伞形齿轮5需要一颗滚动轴承）*2总输出轴7（一根总输出轴7首尾各有一处需要轴承，轴承数仅与总输出轴7的数目相关，不随总输出轴7上的装载配件数目增加而增加）*2超越离合器分为正反两份效率指标离合器处于闭合状态时，直接传递所有力不造成额外能量损耗，效率为100%离合器处于分离状态时，效率取决于离合器的锁定部位形状设计以及离合器内外两侧的润滑度，互联网未能找到广泛的数据，此处按90%效率计算（实际效率应一定幅度高于此数据）由于一组活塞气缸需要两组超越离合器协同工作完成连续转动目的离合器的离-合状态分布为：两组离合器总有且只有一组离合器处于分离状态，两组离合器的离合状态交替转换

故两组离合器的综合效率为，恒为90%效率则传动部分的机械效率恒为95%*95%*90%=81.225%（仅为估算数值，且由于多组数据均按低于行业平均标准计算，故实际数值应高于此数值）整体发动机效率同时受气缸-活塞部分效率影响，气缸活塞部分效率根据实际参数不同，效率暂时无法计算给出

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种对撞式活塞发动机，包括两个水平对置的密封气缸，其特征在于：两所述气缸内设有一双头活塞以及贯穿两气缸中轴线的气管，还包括与活塞连接的双面齿齿条、由锥形齿轮以及轮形齿轮构成的偶数个伞形齿轮以及单向齿轮组，齿条与轮形齿轮啮合，锥形齿轮与单向齿轮组联动；该单向齿轮组中贯穿设有总输出轴。

2.根据权利要求1所述的对撞式活塞发动机，其特征在于：所述气管为设有横管与竖管的十字联通结构，横管两侧端均带有电磁阀气门。

3.根据权利要求2所述的对撞式活塞发动机，其特征在于：所述竖管为排气管。

4.根据权利要求1所述的对撞式活塞发动机，其特征在于：所述单向齿轮组包括双面伞形齿轮，其齿面为与所述锥形齿轮的齿面相适配的外凸斜面。

5.根据权利要求4所述的对撞式活塞发动机，其特征在于：所述双面伞形齿轮中心开设有用于放置超越离合器的安装孔。

6.根据权利要求1所述的对撞式活塞发动机，其特征在于：所述总输出轴置于所述超越离合器中心位置。

7.根据权利要求1所述的对撞式活塞发动机，其特征在于：所述气缸可以是多组。