CN109098845A - 一种水平对置自由活塞式内燃机 - Google Patents

一种水平对置自由活塞式内燃机 Download PDF

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杜鹏
许涛
冯玮玮
滕建耐
张增光
张良超
侯亦波
张波
胡宏德
朱东升
张辰
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Abstract

本发明涉及一种水平对置自由活塞式内燃机，包括左发动机模块、右发动机模块、连杆及中间负载模块；左发动机模块与右发动机模块呈水平对置状态设置并且在同一轴线上；左发动机模块与右发动机模块通过连杆刚性连接，并且沿连杆的轴线方向运动。提供一种新型水平对置自由活塞式内燃机结构，结构紧凑布置简单，提供了一种新型动力模块具有便携式和柔性布置特性的动力装置，可以应用到新能源混合动力汽车等。由于两个活塞水平轴线对置，不受曲柄机构影响，其压缩比可以连续可调，内燃机可以根据外部负载，自行调整合适压缩比，使内燃机处于最佳燃油消耗率区域。

Description

一种水平对置自由活塞式内燃机
技术领域
本发明属于发动机技术领域，特别是指一种水平对置自由活塞式内燃机。
背景技术
随着社会经济的快速发展，对能源的消耗越来越加剧，环境污染问题也日益严重，能源与环保成为当今发展所需关注的两大课题。同时随着社会发展，人们对便携式柔性布置的动力需求也在增加，例如便携式动力源需求气体压缩机，新能源汽车方向，需要柔性布置的动力模块，航空航天领域对新型动力模块研究需求。目前传统内燃机都是带有曲柄连杆机构，自身结构较为复杂体积较大不利于新型动力模块布置需求，同时传统内燃机的热效率也遇到瓶颈阶段。
现有技术方案传统内燃机带有曲柄连杆机构，如图1所示，通过燃烧室内喷入燃料进行燃烧推动活塞作用在曲柄上，将活塞的直线运动转换为曲轴的旋转运动，对外输出机械功，由于活塞运动受到曲柄和连杆的限制，无法连续可调压缩比，同时曲柄连杆机构增加了缸体布置空间，整个内燃机相对体积较大，不利于模块化布置和携带，同时对于小功率需求的便携式动力设备，这些传统内燃机携带不方便，热效率较低，不够经济环保。
传统内燃机活塞运动上下止点受曲柄连杆约束，无法实现连续可变压缩比需求，不适应针对不同工况对压缩比进行调整，达到最佳燃油经济性需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种水平对置自由活塞式内燃机，以解决现有技术的内燃机带有曲柄连杆机构，结构布置不够紧凑，体积较大不利于模块化柔性布置的问题。
本发明的另一目的是解决传统内燃机无法调节压缩比，并且活塞上下止点受曲柄连杆约束，不适应针对不同工况对压缩比进行调整，以达到最佳燃油经济性需求的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种水平对置自由活塞式内燃机，包括左发动机模块、右发动机模块、连杆及中间负载模块；
所述左发动机模块与所述右发动机模块呈水平对置状态设置并且在同一轴线上；
所述左发动机模块与所述右发动机模块通过连杆刚性连接，并且沿所述连杆的轴线方向运动。
所述左发动机模块包括左缸体及左活塞；所述左活塞活动设置于所述左缸体内；在所述左缸体上设置有左排气口及左进气口；所述连杆的左端与所述左活塞连接。
所述右发动机模块包括右缸体及右活塞；所述右活塞活动设置于所述右缸体内；在所述右缸体上设置有右排气口及右进气口；所述连杆的右端与所述右活塞连接。
所述中间负载模块包括负载低压储能腔、负载高压储能腔、负载腔、负载腔活塞、第一单向流通阀、第二单向流通阀、第三单向流通阀及第四单向流通阀；
所述负载腔活塞设置于所述负载腔内，所述连杆穿过所述负载腔及所述负载活塞；
所述负载低压储能腔通过管路分别与所述第一单向流通阀的入口及所述第二单向流通阀的入口连接；
所述第一单向流通阀的出口与所述负载腔的左侧连接，所述第二单向流通阀的出口与所述负载腔的右侧连接；
所述负载高压储能腔通过管路分别与所述第三单向流通阀的出口及所述第四单向流通阀的出口连接，所述第三单向流通阀的入口与所述负载腔的左侧连接，所述第四单向流通阀的入口与所述负载腔的右侧连接。
所述负载腔活塞在所述负载腔内的活动范围在所述第一单向流通阀与所述第二单向流通阀之间。
所述中间负载模块包括铁芯、线圈以及磁体；所述线圈缠绕于所述铁芯后形成空腔，所述连杆活动穿过所述空腔；所述磁体固定于所述连杆上，并随着所述连杆共同运动。
所述磁体为永磁体。
所述左发动机模块与所述右发动机模块的结构相同。
本发明的有益效果是：
1、提供一种新型水平对置自由活塞式内燃机结构，结构紧凑布置简单，提供了一种新型动力模块具有便携式和柔性布置特性的动力装置，可以应用到新能源混合动力汽车等。
2、具有高功率-重量比，活塞左右运行都在对外做功，具有高效率。
3、由于两个活塞水平轴线对置，不受曲柄机构影响，其压缩比可以连续可调，内燃机可以根据外部负载，自行调整合适压缩比，使内燃机处于最佳燃油消耗率区域。
4、提供了一种水平对置内燃机驱动的压缩空气或压缩某工质的动力系统，以及一种发动机。
附图说明
图1为传统内燃机曲柄连杆机构；
图2为水平对置自由活塞式内燃机模块示意图；
图3为水平对置自由活塞式内燃机各部件示意图；
图4为水平对置自由活塞式内燃机左发动机模块做功示意图；
图5为水平对置自由活塞式内燃机右发动机模块做功示意图；
图6为负载模块为发电机的结构示意图。
附图标记说明
100左发动机模块，101左缸体，102左活塞，103左排气口，104左进气口，200中间负载模块，201负载低压储能腔，202负载腔，203负载腔活塞，204第一单向流通阀，205第二单向流通阀，206负载高压储能腔，207第三单向流通阀，208第四单向流通阀，300右发动机模块，301右缸体，302右活塞，303右排气口，304右进气口，400连杆。
具体实施方式
以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。
实施例1
如图2和图3所示，水平对置自由活塞型发动机由三大模块组成，左发动机模块100、中间负载模块200及右发动机模块300，还包括连杆400，左发动机模块100与右发动机模块300呈现水平对置状态并且在同一轴线上，其中左发动机模块的左活塞和右发动机模块的右活塞通过连杆刚性连接在一起，并且可沿轴线方向运动。
左发动机模块100包括左缸体101及左活塞102；左活塞活动设置于左缸体内；在左缸体上设置有左排气口103及左进气口104；连杆400的左端与左活塞102连接。
右发动机模块300包括右缸体301及右活塞302；右活塞302活动设置于右缸体301内；在右缸体301上设置有右排气口303及右进气口304；连杆400的右端与右活塞302连接。
中间负载模块200包括负载低压储能腔201、负载高压储能腔206、负载腔202、负载腔活塞203、第一单向流通阀204、第二单向流通阀205、第三单向流通阀207及第四单向流通阀208。
负载腔活塞设置于负载腔内，连杆穿过负载腔及负载活塞。
负载低压储能腔通过管路分别与第一单向流通阀的入口及第二单向流通阀的入口连接。
第一单向流通阀的出口与负载腔的左侧连接，第二单向流通阀的出口与负载腔的右侧连接。
负载高压储能腔通过管路分别与第三单向流通阀的出口及第四单向流通阀的出口连接，第三单向流通阀的入口与负载腔的左侧连接，第四单向流通阀的入口与负载腔的右侧连接。
左发动机模块与右发动机模块的结构相同。
负载腔活塞在负载腔内的活动范围在第一单向流通阀与第二单向流通阀之间。
如图3和图4所示，以水平对置自由活塞式内燃机驱动负载为例进行描述，内燃机处于图4左活塞往右沿箭头运行状态时即左发动机模块做功时，左缸体的燃烧室内可燃混合气体被点燃或被压燃，连杆连接的左活塞及右活塞一起往右运动，在中间负载模块中的负载腔活塞也一同往右运动，这样导致负载活塞左侧的负载腔的压力降低，负载低压储能腔中的气体通过第一单向流通阀打开顺着箭头流入负载活塞左侧的负载腔，负载活塞右侧的负载腔压力升高，气体被压缩并通过第四单向流通阀顺着箭头流入负载高压储能腔中，完成高压储存能量过程。
当左活塞继续向右运动时，左活塞运行到左排气口时开始排出燃烧废气，右发动机模块的右活塞对从右进气口进入的新鲜空气或可燃混合气体进行压缩，准备进入下一个工作循环。
如图3和图5所示，当左活塞运行到右边止点时，右活塞开始从右边止点往左边沿着箭头方向运行，此时右燃烧室内的可燃混合气体被点燃或压燃，连杆连接着左活塞和右活塞一起往左运动，同时带动负载活塞也向左同步运动，负载活塞右侧的负载腔内的压力降低，负载低压储能腔中的气体通过第二单向流通阀打开顺着箭头流入负载活塞右侧的负载腔中，负载活塞左侧的负载腔体内的压力升高，气体被压缩并通过第四单向流通阀顺着箭头流入负载高压储能腔中，完成高压储存能量过程。随着右活塞的继续向左运行，当右活塞运行到右排气口时，开始排出废气，左发动机模块的左活塞对从左进气口进入的新鲜空气或可燃混合气体进行压缩，准备进入下一个工作循环。至此，左发动机模块和右发动机模块均完成一个完整的进气、压缩、做功及排气的工作循环，活塞在往左还是往右运行过程中，均对外输出有用功。
水平对置自由活塞内燃机的布置结构，包括左右两个活塞通过一个连杆连接在轴线上运动，进排气口的布置位置。
水平对置自由活塞内燃机驱动压缩机，压缩气体、液体等工质的负载组流体方案的布置，使活塞左右运行都满足对外做功，压缩气体或工质。
左发动机模块与右发动机模块工作相位的控制，使得满足自由活塞内燃机无需弹簧装置回位，利用对向的内燃机燃烧室做功驱动其压缩气体，相互保持做功驱动运转平衡。
实施例2
如图6所示，本实施例中，水平对置自由活塞型发动机由三大模块组成，左发动机模块、中间负载模块及右发动机模块，还包括连杆40，左发动机模块与右发动机模块呈现水平对置状态并且在同一轴线上，其中左发动机模块的左活塞和右发动机模块的右活塞通过连杆刚性连接在一起，并且可沿轴线方向运动。
左发动机模块与右发动机模块的结构相同。
左发动机模块包括左缸体10及左活塞11；左活塞活动设置于左缸体内；在左缸体上设置有左排气口13及左进气口12；连杆40的左端与左活塞11连接。
右发动机模块包括右缸体20及右活塞21；右活塞21活动设置于右缸体20内；在右缸体上设置有右排气口23及右进气口22；连杆40的右端与右活塞21连接。
中间负载模块包括铁芯31、线圈32以及永磁体33；线圈缠绕于铁芯后形成空腔，连杆活动穿过空腔；永磁体固定于连杆上，并随着连杆共同运动。
随着永磁体跟随连杆的往复运动，与线圈之前产生磁力线的切割，实现发电机的工作。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (8)

1.一种水平对置自由活塞式内燃机，其特征在于，包括左发动机模块、右发动机模块、连杆及中间负载模块；
所述左发动机模块与所述右发动机模块呈水平对置状态设置并且在同一轴线上；
所述左发动机模块与所述右发动机模块通过连杆刚性连接，并且沿所述连杆的轴线方向运动。
2.根据权利要求1所述的水平对置自由活塞式内燃机，其特征在于，所述左发动机模块包括左缸体及左活塞；所述左活塞活动设置于所述左缸体内；在所述左缸体上设置有左排气口及左进气口；所述连杆的左端与所述左活塞连接。
3.根据权利要求1所述的水平对置自由活塞式内燃机，其特征在于，所述右发动机模块包括右缸体及右活塞；所述右活塞活动设置于所述右缸体内；在所述右缸体上设置有右排气口及右进气口；所述连杆的右端与所述右活塞连接。
4.根据权利要求1所述的水平对置自由活塞式内燃机，其特征在于，所述中间负载模块包括负载低压储能腔、负载高压储能腔、负载腔、负载腔活塞、第一单向流通阀、第二单向流通阀、第三单向流通阀及第四单向流通阀；
所述负载腔活塞设置于所述负载腔内，所述连杆穿过所述负载腔及所述负载活塞；
所述负载低压储能腔通过管路分别与所述第一单向流通阀的入口及所述第二单向流通阀的入口连接；
所述第一单向流通阀的出口与所述负载腔的左侧连接，所述第二单向流通阀的出口与所述负载腔的右侧连接；
所述负载高压储能腔通过管路分别与所述第三单向流通阀的出口及所述第四单向流通阀的出口连接，所述第三单向流通阀的入口与所述负载腔的左侧连接，所述第四单向流通阀的入口与所述负载腔的右侧连接。
5.根据权利要求4所述的水平对置自由活塞式内燃机，其特征在于，所述负载腔活塞在所述负载腔内的活动范围在所述第一单向流通阀与所述第二单向流通阀之间。
6.根据权利要求1所述的水平对置自由活塞式内燃机，其特征在于，所述中间负载模块包括铁芯、线圈以及磁体；所述线圈缠绕于所述铁芯后形成空腔，所述连杆活动穿过所述空腔；所述磁体固定于所述连杆上，并随着所述连杆共同运动。
7.根据权利要求6所述的水平对置自由活塞式内燃机，其特征在于，所述磁体为永磁体。
8.根据权利要求1所述的水平对置自由活塞式内燃机，其特征在于，所述左发动机模块与所述右发动机模块的结构相同。
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