CN115680874A - 一种自由活塞式线性内燃机总成 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自由活塞式线性内燃机总成结构，包括缸头、活塞、活塞销、连杆、箱体(带进气口、排气口)、旋转发生套、滑块结构、止转固定端、飞轮等。取消了传统的曲柄连杆机构，使活塞运行特性不再受到曲连机构限制，但旋转发生套沟槽曲线沿轴向的峰值又可以保证活塞上止点的极限位置，既可以通过自带的控制系统准确计算出循环压缩比，实现自由压缩比，又避免自由活塞失火及活塞与缸头碰撞的故障。其线性结构的布置，使得活塞的侧向力减小且两侧受力更加均衡，减小了摩擦损失，提高了内燃机的可靠性及热效率。同时，采用此方案的内燃机零部件数量减少，成本大大降低，尺寸缩小，更加适合在整车中进行布置。内燃机内部集成发电机的转子及定子模块，可以提供持续的电流输出。同时，每缸具有单独进、排气，可以根据不同应用场景的动力需求，任意组合总缸数。

Description

一种自由活塞式线性内燃机总成

技术领域

本发明属于内燃机技术领域，尤其涉及一种活塞式线性往复内燃机总成，包括机械结构、发电装置及其控制系统。

背景技术

内燃机作为一种公知的技术领域，广泛应用于车辆、船舶、航空、农用机械、工程机械、发电机组等，为其提供动力来源。随着世界各国对能源节约和环境保护的重视程度加强，内燃机的排放法规逐年加严，新型燃料能源不断应用于内燃机领域，而且在某些应用领域内燃机已经从整车动力的直接来源转化为动力电池的动力来源，而电池再去给整车提供直接的动力支持。随着科学技术的不断进步，一种更高效的、轻量化、成本低、体积小的内燃机将更加符合市场的需求。

通常我们所说的压缩比，就是活塞在下止点时气缸内的最大容积与活塞在上止点时气缸内的最小容积之比，压缩比可以表示混合气体被压缩的程度。可见活塞上止点的位置确定了压缩比的大小。对于可变压缩比技术，国内外各大主机厂及研究院所都进行了很多研究，但鲜有突破性的进展，一般为了抑制爆震，需要发动机在较低的温度下工作，这就需要推迟点火，避开最佳热功转换效率点，但势必会造成热效率降低，因此对于大负荷，常采用低压缩比，小负荷采用较大压缩比。相对于固定压缩比发动机，不能适应所有工况的要求，可变压缩比恰恰能很好的解决这个问题。其结合相关技术，如VVT，则可以大大扩展发动机的最佳工作区。

传统技术领域，一台内燃机在结构不变的情况下只能适用于一种燃料，如汽油、柴油、天然气、甲醇等，其主要受限于结构确定的压缩比，如果一台发动机的压缩比是可变的，那么他就可以同时适用于多种燃料，可以自由切换，解决了目前天然气、甲醇等新型能源加注站覆盖区域少的问题。

对于传统的可变压缩比发动机，基本上都采用了相当复杂的多连杆结构的硬件设计来实现，降低了系统的可靠性，对于超高爆发压力的发动机的应用，存在一定风险。如200410005939.中公开的一种曲柄连杆机构，相比传统发动机多了三种连杆、一个控制轴和一个电机驱动单元。202010268116.9中公开的一种可变压缩比结构，也采用了复杂的机械结构，比传统柴油机多了两个连杆，一个十字头，一个传动机构，以及控制单元。成本大大提升的同时，由于机构复杂，其可靠性也会大幅降低。

发明内容

针对上述传统曲连机构活塞发动机的不足之处，本发明提供一种自由活塞的发动机结构并且能够通过电信号控制活塞位置及确定压缩比，可以实现压缩比的无级可变，可以适用于各种燃料的各种工况，如柴油压缩比14～19，汽油发动机压缩比7.5～14等。本发明相对于传统发动机结构不同的是，传统发动机曲轴的主轴颈和连杆轴颈之间的距离决定了活塞的行程，要想实现连续运动，曲轴的连杆轴颈必然会运行至竖直方向的最上端，因此曲轴连杆机构确定了活塞上止点位置就是固定的。本发明采用旋转发生套9以及滑块结构12组成的直动推杆圆柱凸轮结构，因为滑块的运行位置可以由控制系统判断，所以活塞位置也是可以自由控制的，压缩比也就可以改变。其线性结构的布置，使得活塞的侧向力减小且两侧受力更加均衡，减小了摩擦损失，提高了内燃机的可靠性及热效率。同时，采用此方案的内燃机，零部件数量和成本大大降低，尺寸缩小，更加适合在整车中进行布置。

内燃机内部集成了发电机的转子及定子模块，可以提供持续的电流。同时，每缸具有单独进、排气，可以根据不同应用场景的动力需求，任意组合总缸数。

进一步的，通过适当的控制系统，可以实现压缩比的精确控制。控制系统既考虑了活塞当前位置，也考虑了活塞因为惯性的修正位置，从而精确计算出当前压缩比，预测下一循环压缩比，并通过信号齿的布置可以有效的识别活塞的运动方向。可以实现同一结构内燃机适用于不同燃料。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种提高内燃机效率的实现活塞自由往复式运动的结构，包括缸头、活塞、活塞销、连杆、旋转发生套、止转组、飞轮、滑块组、箱体及控制系统等。

所述的箱体为组合结构，分别设置有进、排气口，及飞轮齿圈安装腔。其中进气口装有单向阀、排气口装有消音器。

所述的活塞组件由连杆、活塞、活塞销等组成，安装在缸头及箱体组成的腔体内。本实例展示的为双缸，但实际应用不限于双缸。

所述的连杆上特定位置有定位并固定旋转发生套的结构，且连杆上特定位置有与油封配合的结构，连杆两端连接方式与现有曲柄连杆式内燃机无异，均为通过活塞销与活塞铰接。

所述的旋转发生套通过端面与连杆对应安装面通过螺栓刚性连接，其外圆柱面有一定曲线形状的沟槽，安装在飞轮上的滑块结构在沟槽内自由滑动，内圆柱面与止转组滑动端固定连接。

所述的飞轮通过两个或多个轴承支撑，飞轮可绕中心做旋转运动；飞轮上特定位置设有一定数量的安装点，以固定对应数量的滑块结构，飞轮内圆柱面与旋转发生套外圆柱面间隙配合，飞轮通过滑块结构与旋转发生套沟槽作用，滑块可以滑块的沿沟槽中心滑动，从而推动活塞、连杆组件直线往复运动。

所述的止转组固定端内圈与箱体凸出部分进行固定，止转组滑动端外圈与旋转发生套内侧进行固定连接；止转组固定端外圈与止转组滑动端内圈采用小间隙配合，保证止转组滑动端可以相对止转组固定端沿轴向滑动而不能径向旋转。

如此，连杆、旋转发生套、止转组构成刚性连接整体A，飞轮与一定数量的滑块结构组成刚性整体B，止转组固定端与箱体构成刚性整体C。整体A相对整体C做直线运动，直线运动的行程取决于整体A中旋转发生套沟槽曲线沿轴向的峰值，这样避免了自由活塞因为燃烧的不均匀性导致的失火及活塞与缸头顶部的碰撞隐患。直线运动在各点速度及加速度取决于整体A中旋转发生套沟槽曲线的形状。整体B相对整体C做旋转运动，整体B旋转运动的频率和周期取决于整体A往复运动的频率及旋转发生套沟槽中心曲线的最小正周期数。

除上述机械装置外，发动机还配有发电装置及电气控制模块。所述的发电装置磁体可以固定在连杆体上，线圈可以固定于缸体内腔。同样的旋转的飞轮装置以及腔体也可以组成发电装置，输出电流。

所述的电气控制模块采用多齿和异型齿的组合结构信号条，结合霍尔传感器的识别效果计算活塞的瞬时速度和当前位置；根据活塞质量和当前速度计算活塞组的惯性，根据发动机运动频率和负荷设定爆压修正参数计算出活塞在当前循环的上止点位置。根据活塞达到上止点位置和发动机的单缸排量计算出当前压缩比和设定压缩比对比并得到修正系数用于下一循环修正，形成自学习闭环功能。根据计算的压缩上止点位置和时间分别从时域和位域标定设定和计算其喷油规律和点火规律。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.本发明所述的自由活塞式线性内燃机，取消了曲柄连杆机构，零部件减少，重量轻，体积小，便于布置。内燃机内部集成了发电装置的转子及定子模块，可以提供持续的电流。同时，每缸具有单独进、排气，可以根据不同应用场景的动力需求，任意组合总缸数。

2.本发明所述的旋转发生套上的沟槽，可以使活塞的运动规律不再受到传统曲连机构的限制。

3.本发明所述的自由活塞式线性内燃机控制系统，可以实现压缩比的精确控制。通过监测及云端，预测每一循环压缩比，并通过信号齿的布置可以有效的识别活塞的运动方向。可以实现同一机械结构内燃机适用于不同燃料。

附图说明

图一是所述的实现内燃机活塞往复式运动结构的总图；

图二是所述的实现内燃机活塞往复式运动结构沿气缸中心面的剖视图；

图三是所述的实现内燃机活塞往复式运动结构的零件：止转组固定端；

图四是所述的实现内燃机活塞往复式运动结构的零件：止转组滑动端；

图五是所述的实现内燃机活塞往复式运动结构的零件：旋转发生套；

图六是所述的实现内燃机活塞往复式运动结构的零件：飞轮；

图七是所述的实现自由活塞可变压缩比的结构见图；

图八是所述的可变压缩比的逻辑图；

图九是所述齿形型号条的原理图示例。

图中，1、缸头；2、活塞；3、活塞销；4、排气道；5、连杆；6、箱体；7、进气道；8、旋转发生套紧箍件；9、旋转发生套；10、止转组滑动端；11、飞轮；12、滑块结构；13、止转组固定端；14、止转组固定端固定支座；15、飞轮支撑轴承。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

所述的活塞往复式运动结构，装配在内燃机总成中，可广泛应用于所有内燃机，且不限制所应用内燃机的气缸数。本文以双缸二冲程点燃式汽油机为例说明(点火系统、发电装置及控制系统结构图未予以显示，仅对原理进行详细说明)。

如图二所示活塞2与连杆5通过、活塞销3连接在一起，活塞销两端布置有卡簧，此组合件与旋转发生套9与止转组滑动端10共同构成刚性整体A(活塞、活塞销、连杆间可做轻微转动，不影响机构功能分析)；

飞轮11与滑块结构12构成刚性整体B；飞轮相应位置安装2个沿旋转轴线中心对称的滑块，2个滑块始终位于旋转发生套沟槽内，且2滑块对应沟槽曲线的位置相差一个最小正周期；飞轮由两个轴承15分别支撑两端，轴承15外圈与箱体对应孔对应配合。

止转组固定端13过盈固定于箱体，止转组滑动端外圈与旋转发生套内侧进行固定连接；止转组固定端外圈与止转组滑动端内圈采用小间隙配合，保证止转组滑动端可以相对止转组固定端沿轴向滑动而不能径向旋转。

当启动系统向安装在飞轮11上的齿圈输入启动扭矩后，固定在飞轮11上的滑块结构12在整体A的沟槽内发生滑动，新鲜空气或者混合气从箱体6上的进气道7进入，随着活塞2的运行，气体逐步被压缩。当活塞2运行至压缩上止点前，电火花点火或通过压燃等方式，引燃缸内的可燃混合气，燃烧后的爆发压力推动整体A在气缸内往复直线运动，同时，燃烧后的废气从箱体6的排气道4排出，排气道4外可以连接消音器等尾气处理装置。随着往复直线运动的进行，另一侧的进入的新鲜空气或可燃混合气进行压缩，当活塞2运行至另一侧的压缩上止点时，另外的一个气缸完成点火、作功、排气，推动整体A反方向运动，如此往复。

活塞2的行程取决于旋转发生套9中沟槽曲线沿轴向的峰值，避免了自由活塞因为燃烧的不均匀性导致的失火及活塞2与缸头1顶部的碰撞隐患。

如图五所示，旋转发生套9的a-b-c段为沟槽曲线的一个最小正周期(所示沟槽曲线共有2个最小正周期)。a-b段或b-c段沿轴线方向的投影长度即为活塞运动的最大行程。

如图二所示，整体A位于行程的左侧上止点，以安装于飞轮11上的滑块12为分析对象，此时滑块12位于旋转发生套沟槽的b点(如图五所示)，左侧活塞2位于压缩冲程的上止点，右侧活塞2位于做功冲程的下止点。飞轮11沿图六所示方向旋转，由于飞轮惯性，滑块12将在沟槽内相对于旋转发生套由b点向a点滚动(或滑动)，其对旋转发生套沟槽侧壁面的作用力沿气缸轴线的分力使得旋转发生套9及整体A向右离开左侧上止点，左侧气缸点火推动整体A继续向右移动，旋转发生套9沟槽侧壁面对滑块12的作用力沿飞轮11圆周径向的分力使得飞轮11进行旋转运动，直至滑块12到达旋转发生套9沟槽的a点，此时整体A位于右侧上止点，右侧活塞2位于压缩上止点而左侧活塞位于做功下止点，同样的，滑块12在飞轮的惯性作用下继续沿沟槽越过a点，右侧气缸点火推动整体A向左移动。由此飞轮的旋转及活塞的往复运动会周期交替地进行。

发电装置包含磁体和线圈，所述实例，磁体安装在连杆5上，线圈缠绕在箱体6的空腔内。

如图七所示为自由活塞压缩比实现的示意简图。图八为可变压缩比的逻辑图。图九为齿形型号条的原理图示例。根据异型齿(双凸齿或双凹齿)的高低电位先后顺序可以判断活塞是左行还是右行，从而可以判断是左边气缸需要点火做功还是右边气缸需要点火做功。同时异型齿的中间位置的上升沿或者下降沿(电位变化沿)可以设置为0点位置。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自由活塞式线性内燃机总成结构，包括缸头1、活塞2、活塞销3、连杆5、箱体6、旋转发生套9、飞轮11、止转固定端13及止转组固定端固定支座14等组成。

2.根据权利1所述的箱体6为组合结构，分别设置有进气道7、排气道4，及飞轮齿圈安装腔。

3.根据权利1所述的连杆5上特定位置有定位并固定旋转发生套9的结构。

4.根据权利3所述的旋转发生套9通过端面与连杆5对应安装面通过螺栓刚性连接，其外圆柱面有一定曲线形状的沟槽，安装在飞轮11上的滑块结构12在沟槽内自由滑动，内圆柱面与止转组滑动端10固定连接。

5.根据权利4所述的沟槽，其特征在于：沟槽中心曲线形状为周期函数，且曲线长度一般为偶数倍最小正周期，特殊情况也可采用奇数倍最小正周期，旋转发生套沟槽曲线沿轴向的峰值决定了连杆5、活塞2直线运动的行程。

6.根据权利1所述的飞轮11，其特征在于：飞轮11通过两个或多个飞轮支撑轴承15支撑，飞轮11可绕中心做旋转运动；飞轮11上特定位置设有一定数量的安装点，以固定对应数量的滑块结构12，飞轮11内圆柱面与旋转发生套9外圆柱面间隙配合，飞轮11通过滑块结构12与旋转发生套9的沟槽作用，滑块结构12可以沿沟槽中心滑动，从而推动活塞2、连杆5组件直线往复运动。

7.根据权利1所述的止转组固定端13内圈与箱体凸出部分进行固定，止转组滑动端13外圈与旋转发生套9内侧进行固定连接；止转组固定端13外圈与止转组滑动端10内圈采用小间隙配合，保证止转组滑动端10可以相对止转组固定端13沿轴向滑动而不能径向旋转。

8.根据权利1所述的自由活塞式线性内燃机，其特征在于：发动机配有发电装置及电气控制模块，所述的发电装置磁体可以固定在连杆5上，线圈可以固定于箱体6内腔，同样的，旋转的飞轮装置以及腔体也可以组成发电装置，输出电流。

9.根据权利1所述的一种自由活塞式线性内燃机总成，其特征在于：内燃机包括电气控制模块，采用多齿和异型齿的组合结构信号条，结合霍尔传感器的识别效果，以及根据发动机运动频率和负荷设定爆压修正参数计算出活塞在当前循环的上止点位置，推算出当前压缩比和设定压缩比对比并得到修正系数用于下一循环修正，形成自学习闭环功能，根据计算的压缩上止点位置和时间分别从时域和位域标定设定和计算其喷油规律和点火规律。

10.一种内燃式发动机，包括权利要求1～9任意一项所述的自由活塞式线性内燃机。

Images