CN1100937C - 全液压内燃机 - Google Patents

Abstract

全液压内燃机，其特征是：每个气缸体上具有由控制油缸驱动的进、排气门和喷油嘴或火花塞；采用配油组合阀17，由通过调速液压马达控制旋转的配油轴和片式配油套一体构成，配油轴表面具有轴向上及周向上位置不同的弧形配油槽，每个槽与配油轴中的进油通道A或回油通道B连通，并能在旋转过程中与配油套上同一轴向位置上的进、回油孔连通或断开，分别通过进油管等与油缸连通，或与气缸的进排气和油嘴或火花塞3，的控制油缸连通。无需中间能量转换装置实现液压能输出。

Description

全液压内燃机

本发明涉及内燃机，特别是一种全液压内燃机。

现有的内燃式发动机，无论是国内还是国外，实际采用的都是将燃料剧烈燃烧的化学能转变为由活塞带动曲柄连杆机构工作的机械能。传统的内燃机要实现将化学能转换为液压能必须在内燃机的曲轴上甚至是在经过了离合器、变速箱等传动装置以后再串联或并联液压泵。因此，造成体积大、效率更低、制造复杂、安装不方便。现有技术中也有将燃料的化学能转变为液压油的压力能的报道，但其技术核心是将内燃机的燃烧室、气缸、液压缸、控制部分等融为一体。由于这种思路未能从理论上解决内燃机的散热、液压油在高温下的稳定性和内燃机的控制等一系列问题，故而在实验阶段便出现了液压油对高温敏感；整机启动困难以及内燃机无法稳定工作等一系列致命的问题。因此，这种技术迄今为止尚未能转化为实用的生产力。

本发明的目的是提供一种将传统内燃机与液压油泵的工作原理有机地结合，依靠油路管道、控制阀、油泵、马达、启动电机等再通过配油组合阀，分配和控制油流以简捷、直接、经济的方式获得液压油的压力能，能真正解决现有内燃机所存在的种种弊端的全液压内燃机。

本发明的上述目的是通过这样的技术方案实现的，即一种全液压内燃机，主机包括至少一组气缸体、活塞、液压油缸缸体、柱塞及其输油管和油路控制阀、油泵、液压马达、启动马达、溢流阀、储能器和油箱，其特征在于：气缸体与油缸体为上下分离结构，气缸活塞和油缸柱塞分别位于同一活塞杆的上下两端；每个气缸体上具有由控制油缸驱动的进、排气门和喷油嘴；油路控制阀为配油组合阀，包括进油组合阀、进出油组合阀和进排气控制油组合阀及点火或喷油控制阀，由通过调速液压马达控制旋转的配油轴和片式配油套一体构成，配油轴表面具有轴向上及周向上位置不同的弧形配油槽，每个槽与配油轴中的进油通道或回油通道连通，并能在旋转过程中与配油套上同一轴向位置上的进、回油孔连通或断开，组合阀中的进油组合阀的进油孔分别通过进油管及进油节流阀与各油缸体连通，进出油组合阀的进、回油孔通过进回油管道与各气缸体连通，进排气控制油组合阀及点火控制阀的进、回油孔通过控制油管与各气缸的进、排气门连通和火花塞或喷油嘴的控制油缸连通。

本发明主机的燃油系统、润滑系统、冷却系统与传统内燃机的相同，这些已较完善并可以直接利用的系统，其燃油系统根据燃料类型选用；润滑系统采用机油泵集中供油并使用喷油方式润滑；冷却系统可根据主机的额定功率大小决定采用水冷或风冷。

本发明的上述结构可以通过附图过程的实施例进一步说明。

本发明有如下附图：

附图1为本发明全液压内燃主机结构原理图；

附图2为本发明配油组合阀的示意图；

附图3为配油组合阀的配油关系图。

参见附图1，图中1为控制油管、2为驱动控制单作用油缸、3为喷油嘴、4为进气门、5为排气门、6为气缸活塞、7为活塞-柱塞连杆、8为气缸体、9为弹簧、10为液压油缸(或称柱塞泵)柱塞、11为液压油缸体、12为节流阀、13为单向阀、14为输出油管、15为进油管、16为进出油管、17为配油组合阀、18为精滤器、19为回油管、20为油箱、21为液压油泵、22为粗滤器、23为进油管、24为精滤器、25为变速液压马达、26为启动马达(电机)、27为精滤器、28为回油管、29为飞轮、30为溢流阀、31为调压阀、32为可调节流阀、33为贮能器。

参见附图2、3，图中配油组合阀17采用多个片式配油套和一个由液压马达带动的配油轴34组成。其中进油组合阀的弧形配油槽与进油通道连通，该组合阀的个数与油缸体的个数相同；弧形槽的弧度为180°或90°；配油组合阀17中的点火控制阀的配油套i上具有与气缸体个数相同的进回油孔，该配油套可以绕轴旋转，改变其相对角度，可以使喷油嘴(或火花塞)的喷油(或点火)时间提前或延迟。配油轴上的部分弧形配油槽之圆心角大于90°，使进气门、排气门产生一个提前角和延迟角。

在本实施例中，全液压内燃机主机部分有四个气缸——液压油缸各自独立，内燃机气缸体8中的活塞6与液压油缸体11中的柱塞10直接用连杆7相连；在本实施例中液压油缸中设有柱塞的复位弹簧9或柱塞复位的控制油路，这几种元件共同构成了完全相同的4个活塞—柱塞体。单作用控制油缸2、喷油嘴或火花塞3、进气门4、排气门5、控制油管1、(出油管14、进油管15、进出油管16、进油节流阀12、单向阀13、配油组合阀17、油泵21、液压马达25、启动马达26、飞轮29、溢流阀30、调压阀31等共同组成了控制系统。图1中仅为处于排气冲程的气缸——油缸组合编了序号，事实上，处于其它冲程的气缸——油缸组合的组成形式与编号顺序与此完全相同。

上述全液压内燃机控制系统所需的液压油由油泵21提供。配气系统之进气门、排气门、喷油嘴(或火花塞)的启闭等动作，用液压油缸来控制。由变量调速液压马达改变配油组合阀的转速及调节油门的供油量来调节本全液压内燃机的输出功率。由液压马达为控制系统、润滑系统、冷却系统等提供动力源。飞轮29安装在启动马达26的轴上用于配油系统的平稳工作。在油缸11的高压油输出端连接单向阀13，以防止本全液压内燃机输出的高压油流回缸体11。采用节流阀12，使本全液压内燃机的压缩冲程与排气冲程同步。采用油管16使吸气冲程的回油与压缩冲程的进油畅通无阻。在内燃机的高压油的输出端连接有可调节流阀，并与蓄能器33和液压马达25连接，采用液压贮能器33节能且使本全液压内燃机输出的高压油稳定流动(减小脉冲)，采用可调节流阀32使液压马达25能正常工作。采用弹簧9或液压控制方式使本全液压内燃机吸气冲程时能自动吸气，使本全液压内燃机吸气冲程时能顺畅吸气。

本实施例中的配油组合阀17由1个配油轴34和14个配油套组成。阀芯(配油轴)上有一个通过配油套q与油泵相连的轴向进油通道A；一个与油箱相通的轴向回油通道B。配油轴上还开有环形配油槽，它通过轴上的径向开孔与进油孔A或回油孔B相通。与其中a、b、c、d  配油套相对应的配油轴弧形配油槽构成进油组合阀，它们分别通过对应配油套上的出油孔①、②、③、④将液压油输送给油管15再通过进油节流阀12供给液压油缸11。e、f、g、h配油套及相对应的配油轴弧形配油槽构成进出油组合阀，它们分别通过对应配油套上的出油孔⑤、⑥、⑦、⑧将液压油通过油管16输送给液压油缸11或者将液压油缸11内的液压油通过油管16并经配油组合阀17后流回油箱。i配油套及相对应的配油轴弧形配油槽构成的点火控制油阀通过配油套上的出油孔⑨、⑩、、及控制油管1等，分别与I、II、III、IV四个“气缸—油缸组”配套的火花塞(或喷油嘴)上的单作用油缸相通，使得火花塞(或喷油嘴)按时序的要求开启或关闭。i配油套可做成可调节的，当其相对于其它配油套旋转一定角度，可调节点火或喷油的时间。j、k、o、p配油套及相对应的配油轴弧形配油槽构成的进排气控制油组合阀分别通过对应配油套上的出油孔、、、及油管1等，分别与  I、II、III、IV四个“气缸—油缸组”配套的进气门4、排气门5上的单作用油缸2相通，使得进气门及排气门按时序要求开启或关闭。与进油孔相通的油槽之圆心角大于90°，使进气门、排气门开启或关闭有一个提前或延迟角。i、j、k、o、p配油套的出油孔与进油孔A相通时，单作用油缸开启；与回油孔B相通时，单作用油缸关闭。与q配油套相对应的配油轴进油孔A通过配油套上的出油孔

与油泵21相连；配油轴回油孔B或

与油箱相通。配油轴由液压马达25带动作逆时针转动，配油轴每转动一圈360°，内燃机完成一个全过程即吸气、压缩、做功、排气四个冲程。由变速液压马达25改变配油轴的转速可以改变本内燃机的输出功率。如图1所示，单作用油缸2共12个，用于开闭进气门、排气门、喷油嘴或火花塞；弹簧9可使活塞——柱塞体在吸气冲程时复位并吸气，此时液压油缸中的液压油无需节流而直接通过油管16流回油箱；单向阀13是为阻止高压油回流液压油缸而设；节流阀12的作用是使排气与压缩冲程同步(如图1所示，I缸的排气冲程与III缸的压缩冲程是由同一供油系统同时供油来完成的，I缸排气冲程中气缸内的压力较小而III缸压缩冲程中气缸内的压力较大，在不加控制的前提下，来自油泵21的压力油必将首先进入压力较小的与I缸配套的液压油缸，为不致如此，特在排气冲程的供油管道上设节流阀以保证为排气与压缩冲程供油的同一油路具有相同的负载压力，最终使排气与压缩冲程同步)；油泵21的作用是为整机的控制系统提供低压控制油流；内燃机由启动马达26带动油泵21和配油组合阀17工作后启动，内燃机进入正常工作状态以后则由内燃机输出的工作压力油驱动液压马达25再带动油泵21支持内燃机工作。可以通过控制进油量来调节液压马达25的转速即油泵21和配油组合阀的工作速度，从而调节内燃机的输出功率。此外，液压马达25在内燃机正常工作期间，还可带动起动马达(发电机)为蓄电池充电；带动如水泵、风扇、润滑系统等元件或系统工作。启动马达26用于全液压内燃机的启动和内燃机正常工作期间为蓄电池充电，对于中小功率的全液压内燃机，在启动马达失灵、启动电瓶失效或其他原因导致无法带动中低压液压泵等工作从而实现主机启动时，也可用人工方式摇动油泵等，实现人工启动。飞轮29的作用是利用其惯性使油泵、液压马达、配油组合阀等的工作稳定性能得以加强。溢流阀30的作用是限定内燃机输出液压油的压力，以避免工作负载过大时迫使内燃机熄火。调压阀31调节油泵的输出压力使之与内燃机的整个系统压力相互匹配。贮能器33用于贮存多余液压油的能量和吸收内燃机输出液压油的脉冲，因此，它既可节能，又可使内燃机输出的液压油平稳流动。当内燃机无工作负荷或工作负荷很小时，可调节流阀32可使主机输出的液压油流具有一定的压力以使液压马达25正常工作。

本发明的全液压内燃机的工作过程与普通内燃机的工作过程基本相同，也分为四个冲程即如图1所示的吸气冲程II、压缩冲程III、做功冲程IV、排气冲程I。其中各冲程的工作原理或工作过程如下：

吸气冲程中活塞—柱塞体在弹簧产生的弹性力推动下向下运动，液压油缸大腔内的液压油在不节流的情况下经油管16并通过配油组合阀f配油套上的第⑥进出油口直接流回油箱，同时，配油组合阀的第进出油口向单作用油缸2供油并推动单作用油缸2开启进气门4，而此时排气门5在单作用油缸2内的弹簧推动下关闭，其油缸中的液压油则经油管和配油组合阀j配油套上的第13.进出油口直接流回油箱，各冲程中火花塞或喷油嘴3的动作始终由配油组合阀的i配油套控制，本冲程中火花塞或喷油嘴3因i配油套的第进出油口不供油而处于如图3所示的关闭状态。本套系统原理图中，为简化油路，吸气冲程是依赖弹簧的弹性力推动来完成的，事实上，如果需要的话，这一过程完全可以在控制系统的控制下，用管道提供的液压油推动来完成。

压缩冲程中油泵21输出的中低压油流通过配油组合阀的分配，经g配油套的第⑦进出油口及油管16在不节流的前提下注入液压油缸大腔，活塞—柱塞体在液压油压力的推动下强制上行，此时，单作用油缸2等由于配油组合阀的i、j、o等配油套的对应进出油口、、均不供油，进气门4，排气门5和火花塞或喷油嘴3在相应单作用油缸内弹簧弹性力的作用下关闭，吸气冲程时吸入气缸大腔的空气或燃油混合气被强制上行的活塞—柱塞体压缩并产生高温。

做功冲程时，配油组合阀o、p配油套的对应进出油口、、仍不供油，进气门4，排气门5仍然处于关闭状态，而火花塞或喷油嘴3由于相应单作用油缸在配油组合阀i配油套⑩进出油口输出的中低压油流驱动下开启，与原本处于高温状态的燃油混合气或压缩空气发生剧烈燃烧并急剧膨胀，气缸内的活塞在这一强大压力的推动下带动柱塞下行，液压油缸内于压缩冲程时注入的液压油压力急剧增高，而此时液压油缸的进出油路又被配油组合阀的d、h配油套关闭，压力急剧增高的液压油被迫冲开单向阀，于是，液压油缸内的高压液压油强制进入高压输出系统，驱动工作机械工作的液压能产生。

排气冲程时，液压油泵输出的中低压液压油通过配油组合阀a配油套①进出油口并经油管15、进油节流阀12节流后注入液压油缸11，推动柱塞—活塞体上行，同时，i、p配油套的对应进出油口⑨、供油关闭进气门4和火花塞或喷油嘴；k配油套进出油口供油打开排气门5，气缸中燃烧时产生的废气被排出。

从以上介绍可以明显地看出：全液压内燃机中的液压油缸扮演着双重角色。即，当内燃机气缸内的活塞需要外力驱动如排气、吸气或压缩时，它起着单作用夜压油缸的作用；而当内燃机气缸内的活塞主动如做功时，它就是真正的高压柱塞泵。

活塞—柱塞体运动副的主运动以及内燃机配气系统、燃油系统、润滑系统、冷却系统和控制系统，均由附设的一个如图1所示的中低压液压系统驱动并在该系统的核心部件(主块)——配油组合阀17严格按照内燃机工作时序要求的控制下完成。内燃机工作时序的控制如图3所示。

主机启动时，由电瓶供电启动马达26并带动飞轮29、液压马达25、液压油泵21和配油组合阀17，液压油泵输出的中低压液压油通过配油组合阀有序地分配到驱动活塞—柱塞体运动的液压油缸以及驱动进气门、排气门、火花塞或喷油嘴动作的单作用油缸；燃油泵、机油泵、水泵等在启动马达的带动下同时工作，共同使整机产生有序的运动。待液压油泵21输出的液压油流量及压力均达到额定值时，活塞—柱塞体、进、排气门、火花塞或喷油嘴等均严格按照内燃机主控制系统规定的时序和行程运动，从而实现主机的启动。主机启动后，其输出的液压油压力很快升至可通过可调节流阀32调节的额定值，将此输出的高压液压油分流少量以驱动液压马达25，再由液压马达25扮演上述启动马达26的角色，带动液压油泵、配油组合阀、燃油泵、机油泵、水泵等部件工作，从而实现主机的正常运转。与此同时，启动马达26自动切换成发电机并在液压马达25的带动下为蓄电池充电。

与现有的内燃式发动机相比，本实用新型的全液压内燃机是将传统内燃机与液压油泵有机结合的产物，它的突出特点主要体现在以下几个方面：

1.从整体结构来看，全液压内燃机只保留了传统内燃机与高压柱塞泵最基本的部分——气缸和活塞与油缸和柱塞。并且活塞与柱塞直接用连杆相连，省略了曲轴等一系列中间传动部件。因此，全液压内燃机的结构较简单；整机体积较小，相应地，零部件的制造工艺简单，整机的生产成本较低而安装与布置却十分容易。

2.全液压内燃机中的液压油缸具有中低压油缸与高压柱塞泵的自动切换功能，从而最大限度地简化了内燃机的结构和高压油输出的过程。

3.全液压内燃机中几乎所有的运动如活塞—柱塞体的运动、配气系统、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统等的运动，全部采用中低压液压油驱动，最大限度地简化了传动系统从而提高了整机的机械效率。

4.将燃料的化学能转变为液压能，无论从工作原理看还是从具体实施过程看，全液压内燃机都是最直接、最简捷的，整个系统与传统方法相比省却了机械传动和机械能与液压能的转换装置等一系列中间环节。这不仅降低了整个系统的成本，而且也提高了整个系统的效率。

5.传统内燃机转速与输出功率的变化范围均不大，通常只有靠改变燃油的供油量来改变内燃机的转速和输出功率。全液压内燃机则不同，它既可象传统内燃机一样依靠改变燃油的供油量来改变内燃机的转速和输出功率，也可以通过改变调速液压马达的转速从而改变配油组合阀的工作频率，达到改变内燃机输出功率的目的。因此，全液压内燃机的输出功率变化范围较大。

Claims (8)

1.一种全液压内燃机，主机包括至少一组气缸体(8)、活塞(6)、液压油缸缸体(11)、柱塞(10)及其输油管和油路控制阀、油泵(21)、液压马达(25)、启动马达(26)、可调节流阀(32)、蓄能器(33)和油箱(20)，其特征在于：气缸体(8)与油缸体(11)为上下分离结构，气缸活塞(6)和油缸柱塞(10)分别位于同一活塞杆(7)的上下两端；每个气缸体上具有由控制油缸(2)驱动的进、排气门(4、5)和喷油嘴或火花塞(3)；油路控制阀为配油组合阀(17)，包括进油组合阀、进出油组合阀和进排气控制油组合阀及点火控制阀，由通过调速液压马达(25)控制旋转的配油轴(34)和片式配油套一体构成，配油轴表面具有轴向上及周向上位置不同的弧形配油槽，每个槽与配油轴中的进油通道A或回油通道B连通，并能在旋转过程中与配油套上同一轴向位置上的进、回油孔连通或断开，组合阀中的进油组合阀的进油孔分别通过进油管(15)及进油节流阀(12)与各油缸体连通，进出油组合阀的进、回油孔通过进回油管道(16)与各气缸体连通，进排气控制油组合阀及点火控制阀的进、回油孔通过控制油管(1)与各气缸的进、排气门(4、5)连通和油嘴或火花塞(3)的控制油缸连通。

2.根据权利要求1所述的全液压内燃机，其特征在于：配油组合阀(17)中的进油组合阀的弧形配油槽与进油通道A连通，该组合阀的个数与油缸体的个数相同；弧形槽的弧度为180°或90°。

3.根据权利要求1所述的全液压内燃机，其特征在于：配油组合阀(17)中的点火控制阀的配油套上具有与气缸体个数相同的进回油孔，该配油套可以绕轴旋转。

4.根据权利要求1所述的全液压内燃机，其特征在于：配油阀中的进出油组合阀的部分弧形配油槽之弧度大于90°。

5.根据权利要求1所述的全液压内燃机，其特征在于：在油缸(11)的高压油输出端连接单向阀(13)。

6.根据权利要求1所述的全液压内燃机，其特征在于：在内燃机的高压油的输出端连接有可调节流阀(32)，并与蓄能器(33)和液压马达(25)连接。

7.根据权利要求1所述的全液压内燃机，其特征在于：在启动马达(26)的轴上安装有飞轮(29)

8.根据权利要求1所述的全液压内燃机，其特征在于：液压油缸中设有柱塞的复位弹簧(9)或柱塞复位的控制油路。

Images