CN114483503A - 一种往复运动能量回收利用机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种往复运动能量回收利用机构，包括导向柱和能量回收利用单元，能量回收利用单元包括正向限位凸台、反向限位凸台、重锤和蓄力弹簧；正向限位凸台和反向限位凸台分别对应正向方向和反向复位方向固定设置在导向柱上；重锤通过沿导向柱的轴向方向设置的滑移导向结构滑移配合安装在导向柱上，且重锤位于正向限位凸台和反向限位凸台之间；蓄力弹簧至少包括对应正向方向设置的正向蓄力弹簧，且正向蓄力弹簧的一端与正向限位凸台固定安装、另一端顶靠在重锤上。本发明结构简单、便于实施，能够实现回收和利用活塞(或柱塞)往复运动过程中加速后骤然停止而损失的能量，进而实现提高能量利用率。

Description

一种往复运动能量回收利用机构

技术领域

本发明涉及一种能量回收利用机构，具体是一种适用于如往复活塞式内燃机的曲柄连杆结构、液压自由活塞内燃机的直线往复结构、柱塞泵柱塞的直线往复结构等往复运动机构的能量回收利用机构，属于能量回收利用技术领域。

背景技术

如往复活塞式内燃机的曲柄连杆结构、液压自由活塞内燃机(HFPE)的活塞直线往复结构、柱塞泵的柱塞直线往复结构、活塞式空压机或气泵的活塞直线往复结构等往复运动机构，其工作模式均包括活塞(或柱塞)的加速正向动力输出做功过程和加速反向复位过程，在活塞(或柱塞)频繁的加速往复运动过程中是“正向加速-停止-反向加速-停止”的循环过程，而活塞(或柱塞)加速后的骤然停止往往造成能量损耗。以包括曲轴及曲柄连杆机构的传统往复活塞式内燃机为例，活塞式发动机的工作过程通常包括进气、压缩、膨胀做功和排气，即通过燃料在发动机缸体内燃烧将热能转换成机械能，第三冲程做功时，活塞上方受力，向下加速运动，通过连杆对曲轴做功，使曲轴转速更快，做功完成后的燃料废气直接排出发动机缸体，活塞部分产生的作用力只有不到1/3的力产生扭矩，其余的分离与缸体内壁产生严重摩擦力、致使高温现象；另一方面，活塞的往复运动方向的中心线经过曲轴的轴心线时(即上止点和下止点位置)，有效力臂很小、能量转换率较低；再一方面，活塞做往复加减速运动，损失大量的活塞惯性能量，因此活塞式发动机的最大缺点就是能量利用率偏低，只有约为30％左右。以液压自由活塞内燃机为例，区别于传统的往复活塞式内燃机，HFPE把传统内燃机的曲柄连杆机构用刚性连接代替，HFPE的活塞组件的自由度最大为二，活塞组件只能在活塞组件中心轴线方向来回移动，或者活塞组件在不受周向约束的时候还可沿着活塞组件的中心轴线周向转动，HFPE的内燃机部分一般采用二冲直流扫气或回流扫气的结构，在液压系统的驱动下，活塞组件向上止点移动，完成扫气、喷油及着火，进而进入膨胀行程，将高压液压油输出到液压系统中去，HFPE的控制动作完全来依赖于活塞组件的位移信号，HFPE没有惯性机构作为储能装置，因此HFPE的调速方法是将活塞组件控制在下止点附近，通过控制液压压缩压力的输入时刻对活塞组件的运行频率进行调控，虽然HFPE把传统内燃机的曲柄连杆机构用刚性连接代替的方式既缩短了传动链、又省去了不同运动形式之间的反复转换，但由于存在换气损失、传热损失、摩擦损失、液压损失等的输出能量损耗，HFPE的能量利用率也只有38％左右。

如何回收和利用活塞往复运动过程中加速后骤然停止而损失的能量，是业内为提高能量利用率而关注的问题。现有技术中出现有采用额外设置的柱塞泵进行回收和利用活塞损失能量的方式(如本申请人申请号为202010201174.X的中国发明专利《一种内燃机能量回收利用机构》)，即活塞在骤然停止时通过带动柱塞泵来回收活塞损失的能量，但其设置在内燃机内部的结构相对复杂，在已有的内燃机基础上实施较为困难。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种往复运动能量回收利用机构，结构简单、便于实施，能够实现回收和利用活塞(或柱塞)往复运动过程中加速后骤然停止而损失的能量，进而实现提高能量利用率。

为实现上述目的，本往复运动能量回收利用机构包括导向柱和设置在导向柱上的能量回收利用单元；所述的能量回收利用单元包括正向限位凸台、反向限位凸台、重锤和蓄力弹簧；

所述的正向限位凸台对应往复运动机构的正向方向固定设置在导向柱上或往复运动机构上；

所述的反向限位凸台对应往复运动机构的反向复位方向固定设置在导向柱上或往复运动机构上；

所述的重锤通过沿导向柱的轴向方向设置的滑移导向结构滑移配合安装在导向柱上，且重锤位于正向限位凸台和反向限位凸台之间；

所述的蓄力弹簧至少包括对应往复运动机构的正向方向设置的正向蓄力弹簧，且正向蓄力弹簧的一端与正向限位凸台固定安装、另一端顶靠在重锤上。

作为本发明的进一步改进方案，蓄力弹簧还包括反向蓄力弹簧，且反向蓄力弹簧的一端与反向限位凸台固定安装、另一端顶靠在重锤上。

作为本发明的进一步改进方案，正向限位凸台、反向限位凸台、重锤和蓄力弹簧相对于导向柱的中轴线同轴设置。

作为本发明的进一步改进方案，能量回收利用单元沿导向柱的轴向方向均布设置为多组。

作为本发明的进一步改进方案，多组能量回收利用单元的相邻两个重锤之间的正向限位凸台和反向限位凸台共用同一个限位凸台。

一种往复活塞式内燃机，活塞连杆上安装有往复运动能量回收利用机构、且导向柱与活塞连杆的几何中轴线平行或同轴设置，或者导向柱与活塞连杆共用同一个活塞杆。

一种液压自由活塞内燃机，活塞连杆上安装有往复运动能量回收利用机构、且导向柱与活塞连杆的几何中轴线平行或同轴设置，或者导向柱与活塞连杆共用同一个活塞杆。

一种柱塞泵，柱塞内安装有往复运动能量回收利用机构、且导向柱与柱塞是一体结构。

与现有技术相比，将本往复运动能量回收利用机构安装在往复运动机构上使用时，在活塞(或柱塞)正向加速时，反向限位凸台可推动重锤随动进行加速运动；在活塞(或柱塞)正向加速后停止的瞬间，重锤由于惯性作用继续沿正向方向运动、并压缩正向蓄力弹簧，同时正向蓄力弹簧吸收活塞(或柱塞)的部分机械能同步压缩；在活塞(或柱塞)开始反向加速的瞬间，正向蓄力弹簧释放所有弹力、推动重锤加速运动并顶靠在反向限位凸台上，同时吸收弹性势能的重锤通过反向限位凸台推动活塞(或柱塞)的反向运动，进而实现能量的回收和利用；可通过设置反向蓄力弹簧实现往复运动的平衡性、同时减小振动；可通过沿导向柱的轴向方向均布设置多组能量回收利用单元以实现更好的能量回收和利用效果。

附图说明

图1是本往复运动能量回收利用机构的结构示意图；

图2是本往复运动能量回收利用机构安装在往复活塞式内燃机的活塞连杆上的结构示意图；

图3是本往复运动能量回收利用机构安装在液压自由活塞内燃机的活塞连杆上的结构示意图；

图4是本往复运动能量回收利用机构安装在柱塞泵的柱塞内的结构示意图。

图中：1、导向柱，2、正向限位凸台，3、反向限位凸台，4、重锤，5、蓄力弹簧，51、正向蓄力弹簧，52、反向蓄力弹簧，6、活塞连杆，7、活塞，8、柱塞。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本往复运动能量回收利用机构包括导向柱1和设置在导向柱1上的能量回收利用单元，导向柱1可以是导向轴结构、能量回收利用单元设置在导向轴结构的外表面上，导向柱1也可以是导向套结构、能量回收利用单元设置在导向套结构内部。

所述的能量回收利用单元包括正向限位凸台2、反向限位凸台3、重锤4和蓄力弹簧5；

所述的正向限位凸台2对应往复运动机构的正向方向固定设置在导向柱1上或往复运动机构上；

所述的反向限位凸台3对应往复运动机构的反向复位方向固定设置在导向柱1上或往复运动机构上；

所述的重锤4通过沿导向柱1的轴向方向设置的滑移导向结构滑移配合安装在导向柱1上，且重锤4位于正向限位凸台2和反向限位凸台3之间；

所述的蓄力弹簧5至少包括对应往复运动机构的正向方向设置的正向蓄力弹簧51，且正向蓄力弹簧51的一端与正向限位凸台2固定安装、另一端顶靠在重锤4上。

将本往复运动能量回收利用机构安装在往复运动机构上使用时，在活塞(或柱塞)正向加速时，反向限位凸台3可推动重锤4随动进行加速运动；在活塞(或柱塞)正向加速后停止的瞬间，重锤4由于惯性作用继续沿正向方向运动、并压缩正向蓄力弹簧51，同时正向蓄力弹簧51吸收活塞(或柱塞)的部分机械能同步压缩；在活塞(或柱塞)开始反向加速的瞬间，正向蓄力弹簧51释放所有弹力、推动重锤4加速运动并顶靠在反向限位凸台3上，同时吸收弹性势能的重锤4通过反向限位凸台3推动活塞(或柱塞)的反向运动，进而实现能量的回收和利用。

为了实现往复运动的平衡性、同时减小振动，作为本发明的进一步改进方案，如图1所示，蓄力弹簧5可以还包括反向蓄力弹簧52，且反向蓄力弹簧52的一端与反向限位凸台3固定安装、另一端顶靠在重锤4上。反向蓄力弹簧52可以在活塞(或柱塞)反向加速后停止的瞬间吸收机械能，同时能够实现优良的平衡性和减振效果。

为了避免偏载，作为本发明的进一步改进方案，如图1所示，正向限位凸台2、反向限位凸台3、重锤4和蓄力弹簧5相对于导向柱1的中轴线同轴设置。

为实现更好的能量回收和利用效果，作为本发明的进一步改进方案，如图1所示，能量回收利用单元沿导向柱1的轴向方向均布设置为多组，多组能量回收利用单元的相邻两个重锤4之间的正向限位凸台2和反向限位凸台3可以共用同一个限位凸台。

以包括曲轴及曲柄连杆机构的传统往复活塞式内燃机为例，如图2所示，可将本往复运动能量回收利用机构安装在活塞连杆6上、且导向柱1与活塞连杆6的几何中轴线平行或同轴设置，或者导向柱1与活塞连杆6共用同一个活塞杆。往复活塞式内燃机工作时，如图2(a)所示，活塞7自上止点位置向下移动至下止点位置的过程中，反向限位凸台3可推动重锤4随动进行加速运动，当活塞7到达下止点位置时，重锤4由于惯性作用继续运动、并压缩正向蓄力弹簧51，同时正向蓄力弹簧51吸收活塞7的部分机械能同步压缩；如图2(b)所示，活塞7自下止点位置向上移动至上止点位置，活塞7返程移动的瞬间，正向蓄力弹簧51释放所有弹力、推动重锤4加速运动并顶靠在反向限位凸台3上，同时吸收弹性势能的重锤4通过反向限位凸台3推动活塞7的反向运动，活塞7到达上止点位置时，重锤4由于惯性作用继续运动、并压缩反向蓄力弹簧52，同时反向蓄力弹簧52吸收活塞7的部分机械能同步压缩，完成一个工作循环。

以单活塞式液压自由活塞内燃机为例，如图3所示，可将本往复运动能量回收利用机构安装在活塞连杆6上、且导向柱1与活塞连杆6的几何中轴线平行或同轴设置，或者导向柱1与活塞连杆6共用同一个活塞杆。单活塞式液压自由活塞内燃机工作时，活塞7自上止点位置向下移动至下止点位置的过程中，反向限位凸台3可推动重锤4随动进行加速运动，当活塞7到达下止点位置时，重锤4由于惯性作用继续运动、并压缩正向蓄力弹簧51，同时正向蓄力弹簧51吸收活塞7的部分机械能同步压缩；活塞7自下止点位置向上移动至上止点位置，活塞7返程移动的瞬间，正向蓄力弹簧51释放所有弹力、推动重锤4加速运动并顶靠在反向限位凸台3上，同时吸收弹性势能的重锤4通过反向限位凸台3推动活塞7的反向运动，活塞7到达上止点位置时，重锤4由于惯性作用继续运动、并压缩反向蓄力弹簧52，同时反向蓄力弹簧52吸收活塞7的部分机械能同步压缩，完成一个工作循环。

以柱塞泵柱塞的直线往复结构为例，如图4所示，可将本往复运动能量回收利用机构安装在柱塞8内、且导向柱1与柱塞8是一体结构。柱塞泵工作时，柱塞8自左止点位置向右移动至右止点位置的过程中，反向限位凸台3可推动重锤4随动进行加速运动，当柱塞8到达右止点位置时，重锤4由于惯性作用继续运动、并压缩正向蓄力弹簧51，同时正向蓄力弹簧51吸收柱塞8的部分机械能同步压缩；柱塞8自右止点位置向左移动至左止点位置，柱塞8返程移动的瞬间，正向蓄力弹簧51释放所有弹力、推动重锤4加速运动并顶靠在反向限位凸台3上，同时吸收弹性势能的重锤4通过反向限位凸台3推动柱塞8的反向运动，柱塞8到达左止点位置时，重锤4由于惯性作用继续运动、并压缩反向蓄力弹簧52，同时反向蓄力弹簧52吸收柱塞8的部分机械能同步压缩，完成一个工作循环。

Claims (8)

1.一种往复运动能量回收利用机构，其特征在于，包括导向柱(1)和设置在导向柱(1)上的能量回收利用单元；所述的能量回收利用单元包括正向限位凸台(2)、反向限位凸台(3)、重锤(4)和蓄力弹簧(5)；

所述的正向限位凸台(2)对应往复运动机构的正向方向固定设置在导向柱(1)上或往复运动机构上；

所述的反向限位凸台(3)对应往复运动机构的反向复位方向固定设置在导向柱(1)上或往复运动机构上；

所述的重锤(4)通过沿导向柱(1)的轴向方向设置的滑移导向结构滑移配合安装在导向柱(1)上，且重锤(4)位于正向限位凸台(2)和反向限位凸台(3)之间；

所述的蓄力弹簧(5)至少包括对应往复运动机构的正向方向设置的正向蓄力弹簧(51)，且正向蓄力弹簧(51)的一端与正向限位凸台(2)固定安装、另一端顶靠在重锤(4)上。

2.根据权利要求1所述的往复运动能量回收利用机构，其特征在于，蓄力弹簧(5)还包括反向蓄力弹簧(52)，且反向蓄力弹簧(52)的一端与反向限位凸台(3)固定安装、另一端顶靠在重锤(4)上。

3.根据权利要求1或2所述的往复运动能量回收利用机构，其特征在于，正向限位凸台(2)、反向限位凸台(3)、重锤(4)和蓄力弹簧(5)相对于导向柱(1)的中轴线同轴设置。

4.根据权利要求1或2所述的往复运动能量回收利用机构，其特征在于，能量回收利用单元沿导向柱(1)的轴向方向均布设置为多组。

5.根据权利要求4所述的往复运动能量回收利用机构，其特征在于，多组能量回收利用单元的相邻两个重锤(4)之间的正向限位凸台(2)和反向限位凸台(3)共用同一个限位凸台。

6.一种往复活塞式内燃机，其特征在于，活塞连杆(6)上安装有如权利要求1所述的往复运动能量回收利用机构、且导向柱(1)与活塞连杆(6)的几何中轴线平行或同轴设置，或者导向柱(1)与活塞连杆(6)共用同一个活塞杆。

7.一种液压自由活塞内燃机，其特征在于，活塞连杆(6)上安装有如权利要求2所述的往复运动能量回收利用机构、且导向柱(1)与活塞连杆(6)的几何中轴线平行或同轴设置，或者导向柱(1)与活塞连杆(6)共用同一个活塞杆。

8.一种柱塞泵，其特征在于，柱塞(8)内安装有如权利要求2所述的往复运动能量回收利用机构、且导向柱(1)与柱塞(8)是一体结构。

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