CN107061001A - 一种油电气混合发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油电气混合发动机，其气缸两端设置有可相对所述气缸直线往返运动的线圈活塞，两个所述线圈活塞之间为燃烧室；两个所述线圈活塞与所述气缸滑动配合；两个所述线圈活塞均缠绕有导线，两个所述线圈活塞在所述导线通电状态下，可相互靠近或者相互远离运动。发动机具备可变燃烧室和气缸的行程可变，使其具有高效的能量转化和能量输出，大幅提升热效率；还可以把电能转化为机械能。混合发动机的每一次做功过程都是相对独立的，不需要怠速运转、无需启动过程，减去怠速和启动过程的能耗；根据速度的不同选择不同的传动路径，在限定速度内均可获得最大扭矩，利用电能在内燃机功率不足时提高功率，在低速和高速下都具备优越的加速性能。

Description

一种油电气混合发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术，尤其涉及一种油电气混合发动机。

背景技术

目前，应用最广泛的把燃料燃烧的化学能转化为机械能的发动机为汽油\柴油发动机。汽油\柴油发动机具有能量转化效率低和能量输出效率低的特点：

1)能量转化效率低

最佳能量转化状态：根据比例混合燃料空气气体量、及其压力和温度，在最小的体积内发生同步的化学反应。

汽油\柴油发动机的固定燃烧室，不能根据燃料量去调整燃烧体积，且没有达到所需的最小反应体积；汽油发动机点燃燃烧室内发生连锁化学反应，而非同步化学反应；柴油发动机自燃在燃料的表面发生了同步反应，由于同步反应瞬时耗氧量大，且柴油分子没有充分伸展开，会出现局部缺氧现象。局部缺氧会使得剩下的燃料发生连锁反应或窒息(燃烧不充分)。综上可得：汽油\柴油发动机没有到达最佳能量转化状态就发生了化学反应，所以能量转化效率低于最佳能量转化状态下的能量转化效率。

2)能量输出效率低

汽油\柴油发动机一个气缸内只有一个活塞，不能将其可反作用的机械能输出；汽油\柴油发动机需要怠速运转，而在怠速情况下输出的机械能往往无效；汽油\柴油发动机高效转速区间小，所以要配备变速器，变速器本身消耗机械能，且不能将发动机输出的动能完全传动到轮胎。综上可得：汽油\柴油发动机的能量输出效率较低。

目前，将电能转化为机械能的机器为电动机。电动机虽然具有能量转化效率高，且在应用时可以不用怠速和不用变速器，但是电动机会随着速度的增加，两磁场的作用距离延长，作用力变小，扭矩变小，加速度也会随之变小。所以电动机会随着速度增加而加速性能下降，很难在高速情况下再获得优越的加速性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能在利用对传统的内燃机气缸结构合理利用多种能源的油电气混合发动机。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种油电气混合发动机，包括气缸，所述气缸内两端设置有可相对所述气缸直线往返运动的两个线圈活塞，两个所述线圈活塞之间为燃烧室；两个所述线圈活塞与所述气缸滑动配合；

两个所述线圈活塞均具有缠绕有导线，两个所述线圈活塞在所述导线通电状态下，可相互靠近或者相互远离运动。

进一步地，两个所述线圈活塞背向所述燃烧室一侧分别与第一齿条以及第二齿条传动连接；所述第一齿条与第一齿轮、第一齿轮组均啮合；所述第一齿轮组为并列设置了多个等径的第一齿轮组齿轮，所述第一齿轮的直径大于所述第一齿轮组齿轮；所述第一齿轮与所述第二齿条啮合。

进一步地，还包括多个个轮轴，所述气缸设置有多个，所述第一齿条、所述第一齿轮、所述第一齿轮组以及所述第二齿条与所述气缸数量相同，所述第一齿轮组齿轮均与所述轮轴一一对应传动连接。

进一步地，所述轮轴的两端分别为轮轴动力输入端、轮轴动力输出端；所述轮轴动力输入端上设置有棘齿，所述第一齿轮和所述第一齿轮组齿轮内都有可离合的棘齿；第一齿轮组齿轮内设置有棘轮支点，所述棘轮支点与驱动棘爪中部转动连接，所述驱动棘爪的两端可相对所述棘轮支点转动；所述驱动棘爪一端插入到所述轮轴的棘齿中，所述驱动棘爪另一端的两侧分别通过棘轮弹簧与所述第一齿轮组齿轮的内侧弹性连接或分别通过棘轮电磁铁与所述第一齿轮组齿轮的内侧连接。

进一步地，还包括配速传动箱，所述配速传动箱包括第二齿轮组以及第三齿轮组；所述第二齿轮组包括一端布置的的端部小齿轮及另一端的端部大齿轮，所述端部小齿轮与所述端部大齿轮之间依次设置有多个个复合齿轮，每一个所述复合齿轮包括及平行布置的一个大齿轮以及一个小齿轮；

相邻两个所述复合齿轮上的所述小齿轮位于所述复合齿轮的不同侧；

同一个所述复合齿轮上的所述大齿轮以及所述小齿轮同轴布置且刚性连接；

所述第三齿轮组包括两个端部连接齿轮以及多个依次布置在两个端部连接齿轮之间的中间连接齿轮，所述端部连接齿轮和中间连接齿轮大小相同且其总数量比所述复合齿轮多一个；

所述端部小齿轮以及与所述端部小齿轮相邻布置的所述复合齿轮中的所述大齿轮均与一个所述端部连接齿轮啮合；

所述端部大齿轮以及与所述端部大齿轮相邻布置的所述的复合齿轮中的小齿轮均与另一所述端部连接齿轮啮合；

每一个复合齿轮中所述小齿轮与相邻且靠近所述端部大齿轮一侧的所述复合齿轮中的大齿轮均与一个所述中间连接齿轮啮合；

不同的所述轮轴动力输出端分别一一对应与所述端部大齿轮、所述端部小齿轮以及所述复合齿轮的轴心传动连接。

进一步地，还包括与油箱相连接的燃料预热室以及与发动机进气口相连接的空气预热室，所述燃料预热室及所述空气预热室同时与所述燃烧室相连通，所述燃烧室还连接有排气管道，所述排气管道依次贯穿所述燃料预热室以及所述空气预热室并与外界空气连通。

进一步地，所述燃烧室内设置有点火器。

进一步地，至少一个所述线圈活塞外侧连接有弹簧，所述弹簧另一端连接有弹簧挡板。

本发明具备如下的优点：

1、油电气混合发动机具备可变燃烧室和气缸的行程可变，可根据工况需要调节其行程距离以及压缩比例，使其在任何工况状态下都具有高效的能量转化和能量输出，大幅提升热效率，从而大幅降低油耗；

2、不用配备变速器，油电气混合发动机可以直接在不同速度下提供不同扭矩的机械能，大幅提升传动效率，减去变速器能量损耗，还可以简化操控。

3、设置可变压缩比，压缩比可在一定范围内变化，从而使得发动机不受燃料种类的限制，常规液体燃料和气体燃料均可转化为机械能，如汽油、柴油、乙醇、生物柴油、天然气、煤气和氢气等。

4、可以把电能转化为机械能。

5、不需要进行怠速运转；且无需较长的启动过程，减去怠速和启动过程的能耗。

6、在限定速度内均可获得最大扭矩，低速和高速都具备优越的加速性能。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明中第二齿轮组及第三齿轮组结构示意图；

图3为本发明中多气缸结构示意图；

图4为本发明中棘轮结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

第一齿条1；第一齿轮2；气缸3；燃烧室4；点火器5；燃料预热室6；空气预热室7；排气管道8；线圈活塞9；弹簧挡板10；弹簧11；第一齿轮组12；第一齿轮组齿轮121；第二齿轮组13；端部大齿轮14；第二齿条15；轮轴16；轮轴动力输入端161；轮轴动力输出端162；端部小齿轮17；第三齿轮组18；连接齿轮181；复合齿轮19；大齿轮191；小齿轮192；棘轮弹簧20；棘轮电磁铁21，棘轮支点22；驱动棘爪23。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，一种油电气混合发动机，包括气缸3，气缸3两端设置有可相对气缸3直线往返运动的线圈活塞9，两个线圈活塞9之间为燃烧室4；两个线圈活塞9与气缸3滑动配合；

两个线圈活塞9均缠绕有导线，两个线圈活塞9在导线通电状态下，可相互靠近或者相互远离运动。

两个线圈活塞9背向燃烧室4一侧分别与第一齿条1以及第二齿条15传动连接；第一齿条1与第一齿轮2、第一齿轮组12均啮合；第一齿轮组12为并列设置了若干个等相同的第一齿轮组齿轮121，第一齿轮2的直径大于第一齿轮组齿轮121；第一齿轮2与第二齿条15啮合。

本发明还包括配速传动箱，所述配速传动箱包括第二齿轮组13以及第三齿轮组18；所述第二齿轮组13包括一端的端部小齿轮17及另一端的端部大齿轮14，所述小齿轮17与所述大齿轮14之间设置有若干个复合齿轮19，每一个所述复合齿轮19包括及一个大齿轮191以及一个小齿轮192；

相邻两个所述复合齿轮19上的所述小齿轮192位于所述复合齿轮19的不同侧；

同一个所述复合齿轮19上的所述大齿轮191以及所述小齿轮192同轴布置且刚性连接；

所述第三齿轮组18包括若干个连接齿轮181，所述连接齿轮181的数量比所述复合齿轮19多一个.

所述复合齿轮包括两个同轴布置且刚性连接的齿轮，所述端部小齿轮17以及所述端部小齿轮17相邻布置的所述大齿轮191均与同一所述连接齿轮181啮合；

所述端部大齿轮14以及所述端部大齿轮14相邻布置的所述小齿轮192均与同一所述连接齿轮181啮合；

每一个所述小齿轮192与相邻且靠近所述端部大齿轮14的所述大齿轮191均与同一所述连接齿轮181啮合；

不同的所述轮轴动力输出端162分别与所述端部大齿轮14、所述端部小齿轮17以及所述复合齿轮19的轴心传动连接。

所述轮轴包括两端的轮轴动力输入端161、轮轴动力输出端162；所述轮轴动力输入端161上设置有棘齿，第一齿轮2和第一齿轮组齿轮121内都有可离合的棘齿；第一齿轮组齿轮121内设置有棘轮支点22，所述棘轮支点22与驱动棘爪23中部转动连接，驱动棘爪23的两端可相对棘轮支点22转动；驱动棘爪23一端插入到轮轴动力输入端161的棘齿中，驱动棘爪23另一端的两侧分别通过棘轮弹簧20与所述第一齿轮组齿轮121的内侧弹性连接或通过棘轮电磁铁21与所述第一齿轮组齿轮121的内侧连接。

如图4所示，当棘轮电磁铁21通电，并与驱动棘爪23连接时，锁定住驱动棘爪23，驱动棘爪23的动力输出与轮轴动力输入端161连接；当棘轮电磁铁21不通电时，释放驱动棘爪23，驱动棘爪23的动力输出与轮轴动力输入端161相断开；通过上述方式实现了离合控制；限制轮轴动力输入端161仅逆时针转动。

如图1所示，左起第1个至第9个轮轴16转速是依次减小的。在做功行程时，根据外接设备速度的大小选择左起第1个至第9个中的其中一个齿轮12与轮轴16合并；当线圈活塞9停止和返程状态下，齿轮12与轮轴16都是离开状态。若将最大做功行程分成三段，开始做功行程时，当左起第1个至第8个中的第2个齿轮12通过轮轴16将机械能输出，当完成第一段做功行程后还有未输出完的机械能，将合并第3个齿轮12和轮轴16将机械能输出，此时将断开第2个齿轮12和轮轴16，依次类推。当机械能输出完后或达到最大做功行程后，开始返程。

如图1所示，从左起第一根轮轴16上小齿轮通过齿轮18连接到第二根轮轴16上的大齿轮第二根轮轴16上的小齿轮再通过齿轮18连接到3轮轴上的大齿轮，以此类推。第一根轮轴16的小齿轮和第二根轮轴16上的大齿轮线速度相等，齿轮大转速小，第二根轮轴16转速小于第一根轮轴16。第二根轮轴16上的大小齿轮转速一样，第二根轮轴16上的小齿轮和第三根轮轴16上的大齿轮线速度相等，齿轮大转速小,第三根轮轴16转速小于第二根轮轴16。以此类推，第1根到第9根的轮轴16的转速是依次减小的。

如图1所示，根据设备的速度选择若干个第一齿轮组齿轮121和第一齿轮2中的其中某一个齿轮与第二齿轮组13中的一个的通过轮轴16进行动力输出合并，将线圈活塞9做功行程的机械能输出。将线圈活塞9做功的最大行程分成两段行程，当完成第一段行程后，若还有未输出完的机械能，再通过第一齿轮2与轮轴16合并后输出。线圈活塞在9做功行程输出机械能的过程中，将部分机械能转化为弹性势能，作为线圈活塞9返程的需要。

完成做功行程并将机械能输出后，线圈活塞在弹性势能的作用下开始返程，断开第一齿轮组2或第一齿轮2与轮轴16之间的传动连接，开启排气阀，将废气从排气管道8排出。废气的热量用于汽化汽油和预热空气，没废气热量或废气热量不知时用电加热辅助加热。

线圈活塞9完成返程后，关闭排气阀，打开燃料和空气阀，开启线圈活塞9电流，加入燃料和空气后关闭排气阀。循环此过程，将有连续机械能输出。当线圈活塞9完成返程后，关闭排气、燃料和空气阀，断开线圈活塞9线圈电流，将停止机械能的输出。

发动机还包括与油箱相连接的燃料预热室6以及与进气口相连接的空气预热室7，燃料预热室6及空气预热室7还与燃烧室4相连通，燃烧室4还连接有排气管道8，排气管道8依次贯穿燃料预热室6以及空气预热室7并与外界空气连通。当加入的液体燃料时，燃料预热室6为液体燃料汽化室，当加入气体燃料时，燃料预热室6则为气体燃料预热室。这样进入气缸3内的燃料为气体状态的燃料。

燃烧室4内设置有点火器5。利用两个线圈活塞9通电之间产生相吸的力，压缩燃烧室4的空间进行压燃或通过点火器5直接进行点燃。其中，只有在无法压燃的情况下才进行点燃，一般情况都可以压燃，只有特别很少的情况下无法压燃时才会启动点燃，因为点燃的热效率远低于压燃，点火器仅仅作为备用方案。

至少一个线圈活塞9外侧连接有弹簧11，弹簧11另一端连接有弹簧挡板10。

实施例2

实施例2与实施例1的不同之处在于：使用天然气为燃料，废气的热量用于预热天然气和空气，当还没废气热量或废气热量不足时，无法仅通过废气热量来对液体燃料进行预热，需要开启电加热辅助加热；将线圈活塞9做功的最大行程分成三段行程，当完成第一段行程后，若还有未输出完的机械能，再通过第一齿轮2与轮轴16合并后输出，若完成第二段行程后仍有未输出完的机械能，再依次通过从左到右的第一齿轮2与轮轴16合并后输出；选择从左到右的第一个轮轴16与外接设备(汽车、坦克等)连接；

当天然气燃料压燃或点燃后，把两线圈活塞9相互吸引磁力的电流切换为相互排斥磁力的线圈电流。完成对线圈活塞9做功后，断开线圈活塞9的电流利用弹簧弹力使得线圈活塞9相互靠近；或者再将磁力切换为相互吸引的模式，以再转化回压缩冲程，从而发动机获得更高功率。

实施例3

实施例3的特殊之处在于，关闭燃料和空气阀，并打开排气阀，当线圈活塞9完成返程后，开启相互排斥磁力的线圈电流，让相互排斥的磁力对线圈活塞9进行做功，完成对线圈活塞9做功后，断开线圈电流；利用弹簧弹力线圈活塞9相互靠近；或者待线圈活塞9在弹簧的作用后相互靠近至一定距离后，再将磁力切换为相互吸引的模式，以便再转化回压缩冲程，从而使发动机获得更高功率。

将线圈活塞9做功的最大行程为一段行程，输出机械能的同时将部分机械能转化为弹性势能，当机械能完全输出后或达到最大做功行程后进行返程；选择从左到右的第三个轮轴16与设备(汽车、坦克等)连接。在上述过程中，由于并没有使用燃料的参与，以纯电动模式运行。

本发明无需独立设置电动机，便可实现纯电动模式。相比常规电动机，本发明通过磁力做功，磁力作用没有角度偏差、作用距离可以始终保持最小，同等水平下，效率、功率、扭矩都会优于常见的电动机。虽然有小部分能量转化为弹性势能，当弹性势能将线圈活塞返程后，将压缩小部分空气。通过在两个线圈活塞9之间最小距离时仍保持一部分空气的方式，避免两线圈活塞发生碰撞而损坏机械，这时弹性势能又转化为内能，内能又助于线圈活塞做功，整个过程是一个动态平衡，虽然也有能量损耗，但能量损耗较少。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种油电气混合发动机，其特征在于：包括气缸(3)，所述气缸(3)内两端设置有可相对所述气缸(3)直线往返运动的两个线圈活塞(9)，两个所述线圈活塞(9)之间为燃烧室(4)；两个所述线圈活塞(9)与所述气缸(3)滑动配合；

两个所述线圈活塞(9)均具有缠绕导线，两个所述线圈活塞(9)在所述导线通电状态下，可相互靠近或者相互远离运动。

2.根据权利要求1所述的油电气混合发动机，其特征在于：

两个所述线圈活塞(9)背向所述燃烧室(4)一侧分别与第一齿条(1)以及第二齿条(15)传动连接；所述第一齿条(1)与第一齿轮(2)、第一齿轮组(12)均啮合；所述第一齿轮组(12)为并列设置了多个等径的第一齿轮组齿轮(121)，所述第一齿轮(2)的直径大于所述第一齿轮组齿轮(121)；所述第一齿轮(2)与所述第二齿条(15)啮合。

3.根据权利要求2所述的油电气混合发动机，其特征在于：还包括多个个轮轴(16)，所述气缸(3)设置有多个，所述第一齿条(1)、所述第一齿轮(2)、所述第一齿轮组(12)以及所述第二齿条(15)与所述气缸(3)数量相同，所述第一齿轮组齿轮(121)均与所述轮轴(16)一一对应传动连接。

4.根据权利要求3所述的油电气混合发动机，其特征在于：所述轮轴(16)的两端分别为轮轴动力输入端(161)、轮轴动力输出端(162)；所述轮轴动力输入端(161)上设置有棘齿，所述第一齿轮(2)和所述第一齿轮组齿轮(121)内都有可离合的棘齿；第一齿轮组齿轮(121)内设置有棘轮支点(22)，所述棘轮支点(22)与驱动棘爪(23)中部转动连接，所述驱动棘爪(23)的两端可相对所述棘轮支点(22)转动；所述驱动棘爪(23)一端插入到所述轮轴(16)的棘齿中，所述驱动棘爪(23)另一端的两侧分别通过棘轮弹簧(20)与所述第一齿轮组齿轮(121)的内侧弹性连接或分别通过棘轮电磁铁(21)与所述第一齿轮组齿轮(121)的内侧连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述的油电气混合发动机，其特征在于：还包括配速传动箱，所述配速传动箱包括第二齿轮组(13)以及第三齿轮组(18)；所述第二齿轮组(13)包括一端布置的的端部小齿轮(17)及另一端的端部大齿轮(14)，所述端部小齿轮(17)与所述端部大齿轮(14)之间依次设置有多个个复合齿轮(19)，每一个所述复合齿轮(19)包括及平行布置的一个大齿轮(191)以及一个小齿轮(192)；

相邻两个所述复合齿轮(19)上的所述小齿轮(192)位于所述复合齿轮(19)的不同侧；

同一个所述复合齿轮(19)上的所述大齿轮(191)以及所述小齿轮(192)同轴布置且刚性连接；

所述第三齿轮组(18)包括两个端部连接齿轮以及多个依次布置在两个端部连接齿轮之间的中间连接齿轮(181)，所述端部连接齿轮和中间连接齿轮(181)大小相同且其总数量比所述复合齿轮(19)多一个；

所述端部小齿轮(17)以及与所述端部小齿轮(17)相邻布置的所述复合齿轮中的所述大齿轮(191)均与一个所述端部连接齿轮(181)啮合；

所述端部大齿轮(14)以及与所述端部大齿轮(14)相邻布置的所述的复合齿轮中的小齿轮(192)均与另一所述端部连接齿轮(181)啮合；

每一个复合齿轮中所述小齿轮(192)与相邻且靠近所述端部大齿轮(14)一侧的所述复合齿轮中的大齿轮(191)均与一个所述中间连接齿轮(181)啮合；

不同的所述轮轴动力输出端(162)分别一一对应与所述端部大齿轮(14)、所述端部小齿轮(17)以及所述复合齿轮(19)的轴心传动连接。

6.根据权利要求1-5任一所述的油电气混合发动机，其特征在于：还包括与油箱相连接的燃料预热室(6)以及与发动机进气口相连接的空气预热室(7)，所述燃料预热室(6)及所述空气预热室(7)同时与所述燃烧室(4)相连通，所述燃烧室(4)还连接有排气管道(8)，所述排气管道(8)依次贯穿所述燃料预热室(6)以及所述空气预热室(7)并与外界空气连通。

7.根据权利要求1-5任一所述的油电气混合发动机，其特征在于：所述燃烧室(4)内设置有点火器(5)。

8.根据权利要求1-5任一所述的油电气混合发动机，其特征在于：至少一个所述线圈活塞(9)外侧连接有弹簧(11)，所述弹簧(11)另一端连接有弹簧挡板(10)。