CN113719346B - 一种发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置 - Google Patents

Abstract

一种发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置，包括连杆，所述连杆左右两侧设有互为对称的环形油缸，左右两侧的环形油缸彼此相对的端部皆设有固定支座；所述环形油缸中心设有一纵向贯穿自身的滑动孔；所述固定支座中心设有一与滑动孔相贯通的穿孔；所述连杆同时穿过位于左侧的环形油缸、位于左侧的固定支座、位于右侧的固定支座、位于右侧的环形油缸；所述环形油缸远离固定支座的一端端面设有一呈环形的柱塞腔，柱塞腔将滑动孔围合在内。本发明的发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置能够对不同转速下的末了剩余动能进行有效回收利用，避免大量能量被浪费的情况，起到节能减排的效果。

Description

一种发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置

技术领域

本发明涉及一种发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置。

背景技术

往复式发动机的活塞组件在作功行程中的工作过程是：静止，加速，减速，再回到静止三个阶段；对于传统多缸发动机，通过曲轴把多个活塞组件联接在一起，使每个组件在另外三个行程中也会出现同步的加速，减速，静止的工作状态，如果再把传统发动机作功行程工状进行细化，其工作过程是：燃烧活塞在上止点时，是静止状态，过上止点后，根据曲柄效率特性，由于此时曲柄活塞组件传输效率较低，燃烧产生的推力还无法满足推动曲轴旋转，它是靠储存在飞轮以及曲轴上的动能与推力一起来推动曲轴转动，这时活塞组件虽然是加速状态，但飞轮的角速度由于消耗太多自身的动能还是处于减速状态，随着燃烧活塞下行，推力随曲柄效率逐渐提高而提高，当燃烧产生的推力大于阻力时，才真正推动曲轴，发动机开始加速过程，同时对外输出能量，而当转过一定角度后，由于燃烧室体积增大，缸内的压强在减小，产生的推力越来越小，当小于外部阻力时，活塞组件开始减速，这时曲轴转动所需的能量又恢复到飞轮以及曲柄储存的动能与推力一起使曲轴转动的过程中。

到下止点时，活塞组件的速度等于零；如果在下止点前活塞组件的速度为零，那表示发动机已经熄火停止工作，所以在下止点前的速度必须大于零，这个速度的最小值就是怠速时的速度数值，该速度随着发动机转速的提高面增大；为了方便分析，我们把上下止点前的活塞组件运动速度称为末了速度；由于末了速度的存在，活塞组件又具有一定的质量，根据动能计算公式Ek=（1/2）mv²可知，这时活塞组件具有一定的动能，我们把这个动能称为末了动能，同样这个动能最小值就是怠速时的末了动能，随着转速的提高，末了动能随末了速度的提高而增大，而满足发动机运转的最低动能就是怠速时的末了动能，当转速提高后，就形成了剩余的末了动能，把末了剩余下来的动能称为末了剩余动能，到下止点时，也就是静止时，因为速度V为零，所以动能为零，也就是这个末了剩余动能全部损耗掉，并且发动机转速越高，末了速度越大，末了剩余动能损耗也越大，而目前末了剩余动能无法得到回收利用，只能让其浪费，在末了剩余动能较小的情况下，不会造成过多能量的损失，当末了剩余动能较大时，则会造成过多能量的损失，导致大量能量无法得到有效利用。

目前传统大型往复式发动机，转速虽然不高，但燃烧活塞行程较大，所以活塞组件的线速度仍然很大，并且大型发动机的活塞组件质量较大，其末了剩余动能损耗特别严重；所以大型发动机不得不降低转速来减小能量的损耗，如果考虑发动机自身能量损耗因素，就会发现这实际是两个因素综合考虑后的无奈之举，并非最佳方法。

专利申请号为（201510874185.3）的发动机与发电机组合结构中的发动机部份（以下称为新型发动机），该新型发动机采用曲柄控制，力与能的传输都在连杆及相互驱动装置之间完成。所以它具有与传统发动机一样的工作特性，如活塞组件同样作往复运动，有末了速度，有末了剩余动能等的特性；也有与传统发动机不一样的特点，如燃烧产生的推力通过燃烧活塞传给连杆，连杆直接传给能量输出装置，其传输效率理论上达到100%；两个连杆通过相互驱动装置进行驱动和力传输，该装置采用等臂杠杆原理设计，其传输效率同样接近理想值，所以新型发动机的能量传输效率较高，彻底解决了传统发动机传输效率低下的难题；但由于传输都是在往复运动部件上完成，造成往复运动部件质量较传统同排量发动机要大，末了剩余动能损耗较为严重。另外，在传统发动机中末了剩余动能是在上下止点前的一定角度内就开始逐渐损耗，损耗是个过程，这是发动机曲柄机构特性决定的；专利（201510874185.3）新型发动机中，末了动能的损耗在上下止点时瞬间损耗，如果不进行回收，会对相关部件造成冲击，使相关部件存在早期疲劳风险，影响其使用寿命。

发明内容

本发明要解决现有的技术问题是提供一种发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置，它能够对不同转速下的末了剩余动能进行有效回收利用，避免大量能量被浪费的情况，起到节能减排的效果。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

本发明公开一种发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置，包括连杆，其特征在于：所述连杆左右两侧设有互为对称的环形油缸，左右两侧的环形油缸彼此相对的端部皆设有固定支座；所述环形油缸中心设有一纵向贯穿自身的滑动孔；所述固定支座中心设有一与滑动孔相贯通的穿孔；所述连杆同时穿过位于左侧的环形油缸、位于左侧的固定支座、位于右侧的固定支座、位于右侧的环形油缸；所述环形油缸远离固定支座的一端端面设有一呈环形的柱塞腔，柱塞腔将滑动孔围合在内；所述柱塞腔内设有与其相匹配的柱塞；所述柱塞内外壁与柱塞腔腔壁之间围合形成一液压空间，液压空间内充满有液压油；所述环形油缸邻近固定支座的一端上表面设有一与液压空间相贯通的进油口，环形油缸邻近固定支座的一端下表面设有一与液压空间相贯通的泄油口；所述进油口设有一与其相匹配的常通锁止电磁阀；所述泄油口下端端口设有一与其相匹配的可控泄压电磁阀；所述连杆左右两侧设有互为对称的弹簧座，左右两侧的环形油缸位于左右两侧的弹簧座之间；所述弹簧座与和其相邻的柱塞之间设有一套于连杆外的能量回收储能弹簧；所述环形油缸远离固定支座的一端外壁设有一柱塞行程传感器。

所述能量回收储能弹簧为塔型螺旋弹簧；；所述能量回收储能弹簧的外径向着固定支座所在的方向逐渐递增。

所述柱塞远离固定支座的一端端面设有一呈环形的弹簧嵌孔，能量回收储能弹簧邻近固定支座的一端嵌于弹簧嵌孔内。

所述柱塞内壁与外壁皆设有一呈环形的密封槽；所述密封槽内设有与其相匹配的密封圈，密封圈与柱塞腔腔壁相贴合。

所述可控泄压电磁阀、柱塞行程传感器、常通锁止电磁阀皆与一电子控制系统相连接。

所述固定支座外边沿上设有若干呈圆周均匀分布的安装孔。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，采用本发明结构的发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置的电子控制系统始终监控着发动机的转速信号与柱塞行程传感器的信号，通过调节可控泄压电磁阀的泄油量，使柱塞的实际行程与各转速下所要求柱塞行程一致，达到不断调节能量回收储能弹簧弹性系数K值或位移量X值的目标，使能量回收储能弹簧所能回收的能量刚好与各转速下的末了剩余动能一致，这样末了剩余动能得以全部回收储存，过上下止点后，所储存的能量通过弹簧座传给连杆，连杆把回收的能量和燃烧所产生的能量一起传输给发动机的能量输出装置，这样末了剩余动能就得以充分利用，增加了输出功率，起到了节能减排的效果，而本发明的装置在回收利用末了剩余动能的同时，可以起到缓冲减振的效果，可谓一举两得。

附图说明

图1是本发明一种发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本本发明作进一步详细的说明：

请参阅图1，本发明提供一种发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置，包括连杆1，所述连杆1左右两侧设有互为对称的环形油缸2，左右两侧的环形油缸2彼此相对的端部皆设有固定支座3；所述环形油缸2中心设有一纵向贯穿自身的滑动孔4；所述固定支座3中心设有一与滑动孔相贯通的穿孔5；所述连杆1同时穿过位于左侧的环形油缸2、位于左侧的固定支座3、位于右侧的固定支座3、位于右侧的环形油缸2；所述环形油缸2远离固定支座3的一端端面设有一呈环形的柱塞腔6，柱塞腔将滑动孔4围合在内；所述柱塞腔6内设有与其相匹配的柱塞7；所述柱塞7外壁与柱塞腔6腔壁之间围合形成一液压空间8，液压空间8内充满有液压油9；所述环形油缸2邻近固定支座的一端上表面设有一与液压空间8相贯通的进油口10，环形油缸2邻近固定支座3的一端下表面设有一与液压空间8相贯通的泄油口11；所述进油口10设有一与其相匹配的常通锁止电磁阀20；所述泄油口11下端端口设有一与其相匹配的可控泄压电磁阀12；所述连杆1左右两侧设有互为对称的弹簧座13，左右两侧的环形油缸2位于左右两侧的弹簧座13之间；所述弹簧座13与和其相邻的柱塞7之间设有一套于连杆1外的能量回收储能弹簧14；所述环形油缸2远离固定支座3的一端外壁设有一柱塞行程传感器15。

所述能量回收储能弹簧14为塔型螺旋弹簧；所述能量回收储能弹簧14的外径向着固定支座3所在的方向逐渐递增。

所述柱塞7远离固定支座3的一端端面设有一呈环形的弹簧嵌孔16，能量回收储能弹簧14邻近固定支座3的一端嵌于弹簧嵌孔16内。

所述柱塞7内壁与外壁皆设有一呈环形的密封槽17；所述密封槽17内设有与其相匹配的密封圈18，密封圈18与柱塞腔6腔壁相贴合。

所述可控泄压电磁阀12、柱塞行程传感器15、常通锁止电磁阀20皆与一电子控制系统21相连接。

所述固定支座3外边沿上设有若干呈圆周均匀分布的安装孔19。

本发明的使用方法如下：

环形油缸2可通过固定支座3进行固定并保持不动，而固定支座3的固定则可通过安装孔19完成，比如利用螺丝穿过安装孔19对固定支座3进行固定，当固定支座3固定于发动机内时，环形油缸2随之被固定，本发明的发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置的连杆左右两端分别与相应的燃烧活塞相连接。

当发动机转速升高时，末了速度同样也是处于逐渐升高的状态，当末了速度升高时，末了剩余动能随之提升，此时电子控制系统21能够有效监测到实际转速与油压等情况，经过分析计算，电子控制系统21则会对可控泄压电磁阀12的启闭程度进行控制调节，此时常通锁止电磁阀20处于不工作，进油口10处于开启的状态，液压油通过进油口10进入至液压空间8内，只需通过可控泄压电磁阀12控制泄油口11的泄油量，便能够通过进油量与泄油量之间的差控制液压空间8内的液压油的量和液压空间8内的油压，使液压空间8的压强在进油量大于泄油量时上升，液压空间8内不断增加的液压油的压力则会作用在柱塞7底部，推动柱塞7移动，此时柱塞7上的弹簧嵌孔16孔底与弹簧座13之间的间距不断变小，同时柱塞行程传感器15不间断把柱塞行程信息反馈给电子控制系统21，电子控制系统21根据发动机转速等信号计算所需的柱塞7行程，与柱塞行程传感器15反馈的实际柱塞行程进行对比，如果与该转速下的行程一致，则控制系统通过可控泄压电磁阀12，调节泄油量，使泄油量与进油量一致，柱塞7将维持在所需行程位置不动，此时能量回收弹簧14低K值区域被部份压缩，能量回收储能弹簧14进入所要求的高K值工作区域，此时随着左右两侧的燃烧活塞在燃烧产生的推力下向着同一侧运动时，燃烧活塞则会同步推动连杆1进行移动，其中一侧的弹簧座13向着柱塞7方向靠近，两者之间的间距不断缩小，能量回收储能弹簧14的高K值区域被压缩，此时的末了剩余动能被转换成能量回收储能弹簧14的高K值区域被压缩产生的弹性势能，进行储能，这时能量回收储能弹簧14能吸收和储存能量刚好与此时的末了剩余动能一致，使末了剩余动能得以全部回收储存，活塞组件过上下止点后，能量回收储能弹簧14所储存的能量，通过弹簧座13传输给连杆，连杆1把燃烧产生的能量与末了剩余动能一起传给能量输出装置，从而使末了剩余动能得以利用。

如果发动机转速下降，末了剩余动能也随着减小，为了降低发动机工作运动阻力，就应调低能量回收储能弹簧14的K值和X值，具体的方法是：电子控制系统21通过转速传感器发现发动机转速下降，电子控制系统21将通过可控泄压电磁阀12，适当增加泄油量，进油口10流量相同的情况下，液压空间8的压强下降，柱塞7在能量回收储能弹簧14弹力作用下，往固定支座3的方向移动；同时柱塞行程传感器15不间断把柱塞行程信号传给电子控制系统21，当电子控制系统21发现柱塞7行程与此时发动机该转速下所设置的柱塞7行程一致时，控制系统将调节可控泄压电磁阀12的开度，使泄油量与进油量相同，柱塞7行程与在设定的行程一致；这时能量回收储能弹簧14能吸收和储存能量刚好与此时末了剩余动能一致，使末了剩余动能得以全部回收储存，活塞组件过上下止点后，能量回收弹簧14所储存的能量，通过弹簧座13传输给连杆得以利用。

如果电子控制系统21发现发动机转速在一定的时间内都没有变化时，而此时柱塞7的行程与系统所要求的行程一致，为了避免液压空间8的压强波动，电子控制系统21通过可控泄压电磁阀12与常通锁止电磁阀20关闭泄油口11与进油口10，从而使出油与进油通道关闭，使液压空间8内的油量与压强不变，达到锁住柱塞7使其行程不变的目的。如果电子控制系统21发现发动机转速发生变化，系统又恢复到实时控制调节状态。

当发动机完成工作，停机熄火后，可控泄压电磁阀12和常通锁止电磁阀20都是常通电磁阀，可控泄压电磁阀12完全打开，液压空间8内油量被泄掉，柱塞7回到与固定支座相邻的底部原始位置，这样可减小系统阻力，方便下次启动和怠速运转。

综上所述可知，本发明的电子控制系统21始终监控着发动机的转速信号与柱塞行程传感器15的信号，通过调节可控泄压电磁阀12的泄油量，使柱塞7的实际行程与各转速下所要求柱塞行程一致，达到不断调节能量回收储能弹簧14的弹性系数K值或位移量X值的目标，使能量回收储能弹簧14所能回收的能量刚好与各转速下的末了剩余动能一致，这样末了剩余动能得以全部回收储存，过上下止点后，所储存的能量通过弹簧座13传给连杆1，连杆1把回收的能量和燃烧所产生的能量一起传输给发动机的能量输出装置，这样末了剩余动能就得以充分利用，增加了输出功率，起到了节能减排的效果。

发动机设计定型后，其连杆与活塞组件质量是个定值，而末了剩余动能随转速的升高而增大；要吸收储存不同转速下不同的末了剩余动能，根据弹性势能计算公式Ep=(1/2)KX²；有三种选择方案，1：调节弹性系数K；2：调节储能弹簧压缩行程X；3：对两个参数同时进行调节。能量回收储能弹簧14的压缩工作行程等于燃烧活塞的工作行程加上柱塞的预压行程，常规螺旋弹簧K值是个定值，预压行程可调，也就是调节X值的方案；但塔型螺旋弹簧特点是：1，所占空间较小；2，载荷大；3，变刚度（K值随压缩行程的增大而增大）；也就是能量回收储能弹簧14设计工作长度应大于活塞工作行程与柱塞7行程最大值之和，发动机低速或者启动阶段，柱塞处于不工作的原始状态，能量回收储能弹簧14的工作行程就在低K值区域工作，与常规螺旋弹簧相比，可减小启动阻力，在高转速的工状时，柱塞7在电子控制系统21的控制下，向外推出，对能量回收储能弹簧14的低K部份进行提前压缩，而工作区间，就在高K值区域完成，也就是同时调节K值和X值两个参数，这样就能吸收储存更多的末了剩余动能，并且所占空间更小，所以本装置以塔型螺旋弹簧方案为优选方案；这样在不同的转速下，只要调节柱塞移动行程，就能满足不同转速下吸收不同末了剩余动能的设计要求。

本发明另一个重要系统是柱塞行程的控制，也就是能量回收储能弹簧预压量的控制：电子控制系统21可通过传感器感知发动机转速信号柱塞7行程等信息，再根据电脑存储的相关资料，计算所需的柱塞7行程，与此时的实际柱塞7行程比较，如果实际行程小于所需的行程，则电子控制系统21通过可控泄压电磁阀12减小泄油量，使液压空间压强增加，从而增加柱塞7行程，达到设定的目标值；如果此时柱塞7行程大于设定的目标值 ，则电子控制系统21通过可控泄压电磁阀增大泄压量，减小柱塞行程。这样电子控制系统21将根据发动机转速及柱塞7行程等信号，不断调节柱塞7行程，使柱塞7实际行程始终与所设定的行程一致，形成闭环控制系统。对于匀转速工状或者某些匀转速环镜下工作的设备，电脑将根据稳定转速的工作时间，如果此时柱塞7实际行程与设定的行程一致，则电子控制系统通过常通锁止电磁阀20和可控泄压电磁阀12关闭进出油通道，液压空间8成为封闭的空间，锁住空间内油压，达到柱塞7行程恒值的目的。这种状态下，空间内油压不会波动，其回收效率较高；如果转速发生变化，系统又恢复到实时调节状态，这种闭环控制系统将有效调节液压空间实际的进油量，实现自我调节，达到自适应效果。这个装置最终目的是调节塔型螺旋弹簧的预压量，达到调节弹性系数K值和X值，满足不同转速下吸收储存不同末了剩余动能的要求，达到节能减排的目的。

同一转速下，如果K值和X值太小，末了剩余动能无法全部回收储存，同一转速下，如果K值和X值调得太大，而产生的末了剩余动能是个定值，发动机的连杆组件的运动阻力变大，相对增加了内耗，所以能量回收弹簧的K值和X值要始终要与设置的数值相一致，即柱塞7行程实际值与设定值一致。

柱塞7远离固定支座3的一端端面设有一呈环形的弹簧嵌孔16，能量回收储能弹簧14邻近固定支座3的一端嵌于弹簧嵌孔16内，这种装配方式能够有效提高能量回收储能弹簧14被压缩或张开时的稳定性，从而保证能量回收储能弹簧14回收末了剩余动能与利用末了剩余动能时的稳定性。

柱塞7内壁与外壁皆设有呈环形的密封槽17，密封槽17内设有与其相匹配的密封圈18，密封圈18与柱塞腔6腔壁相贴合，密封圈18的存在能够有效提高柱塞7内外壁与柱塞腔6腔壁之间的密封性，避免由于漏油导致液压空间8实际进油量与所需进油量不符的情况。

在同一根连杆1上设有两套互为对称的能量回收利用结构，使往与复的两个相反方向的末了剩余动能都得以回收，因为同一根连杆活塞组件，质量相同，转速一样，所以如果两个能量回收利用结构工作正常，其实际控制值基本一致。

电子控制系统21能对整个系统进行监控，具有一定的调节纠错功能，同时对系统内的电子原件故障，错误信号等进行储存，同时发出报警提示，也就是0BD功能。

能量回收利用装置为新型发动机量身打造研发，使新型往复式发动机发挥最大传输效率的同时，把新发动机的结构产生的副作用降到最低。

Claims (6)

1.一种发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置，包括连杆，其特征在于：所述连杆左右两侧设有互为对称的环形油缸，左右两侧的环形油缸彼此相对的端部皆设有固定支座；所述环形油缸中心设有一纵向贯穿自身的滑动孔；所述固定支座中心设有一与滑动孔相贯通的穿孔；所述连杆同时穿过位于左侧的环形油缸、位于左侧的固定支座、位于右侧的固定支座、位于右侧的环形油缸；所述环形油缸远离固定支座的一端端面设有一呈环形的柱塞腔，柱塞腔将滑动孔围合在内；所述柱塞腔内设有与其相匹配的柱塞；所述柱塞内外壁与柱塞腔腔壁之间围合形成一液压空间，液压空间内充满有液压油；所述环形油缸邻近固定支座的一端上表面设有一与液压空间相贯通的进油口，环形油缸邻近固定支座的一端下表面设有一与液压空间相贯通的泄油口；所述进油口设有一与其相匹配的常通锁止电磁阀；所述泄油口下端端口设有一与其相匹配的可控泄压电磁阀；所述连杆左右两侧设有互为对称的弹簧座，左右两侧的环形油缸位于左右两侧的弹簧座之间；所述弹簧座与和其相邻的柱塞之间设有一套于连杆外的能量回收储能弹簧；所述环形油缸远离固定支座的一端外壁设有一柱塞行程传感器。

2.根据权利要求1所述的一种发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置，其特征在于：所述能量回收储能弹簧为塔型螺旋弹簧；所述能量回收储能弹簧的外径向着固定支座所在的方向逐渐递增。

3.根据权利要求2所述的一种发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置，其特征在于：所述柱塞远离固定支座的一端端面设有一呈环形的弹簧嵌孔，能量回收储能弹簧邻近固定支座的一端嵌于弹簧嵌孔内。

4.根据权利要求1所述的一种发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置，其特征在于：所述柱塞内壁与外壁皆设有一呈环形的密封槽；所述密封槽内设有与其相匹配的密封圈，密封圈与柱塞腔腔壁相贴合。

5.根据权利要求1所述的一种发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置，其特征在于：所述可控泄压电磁阀、柱塞行程传感器、常通锁止电磁阀皆与一电子控制系统相连接。

6.根据权利要求1所述的一种发动机往复运动部件末了剩余动能回收利用装置，其特征在于：所述固定支座外边沿上设有若干呈圆周均匀分布的安装孔。

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