CN1164880C - 双调节机械能量输出的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双调节机械能量输出的方法及其装置，其方法在由活塞缸列和柱塞缸列构成的V形装置及带有液压马达的能量汇流装置中完成，活塞缸列用于热能向机械能的转换，柱塞缸列用于机械能的分流及向油压能的转换，活塞缸列的活塞运动两个或四个行程，曲轴旋转一周或两周实现一次转换；柱塞缸列的柱塞运动两个行程，曲轴旋转一周完成一次能量分流及向油压能的转换，并通过变量液压马达及汇流装置等的调整实现双曲线动力输出特性，使整机具有最佳实用性并具有制动能的回收和再利用功效。本装置及其能量转换方法比现有技术省去过渡环节，能量转换效率高，工作原理简单，实施过程灵活，装置体积小，节省原材料及能源，可应用于所有机械动力需求的工作场合。

Description

双调节机械能量输出的方法及其装置

技术领域：

本发明涉及一种能量状态转换及动力参数变换的方法及其装置，具体地说是一种由热能同时直接转变成机械能与油压能，并在机体内通过行星排汇流输出机械动力的方法及其所使用的装置。

技术背景：

一般情况下，动力装置如内燃机是在负荷、速度及其它情况经常变化的条件下运行的，内燃机的工作必须适应来自负载对象的需要，在负荷与转速经常变化的条件下工作。内燃机的工况(主要指负荷与转速)变化时，必然引起其性能指标的变化。从负载角度看，当需要的功率即转矩与转速之积一定时，内燃机最好提供动力参数一转矩与转速为双曲线关系的动力，并且，根据需要内燃机最好工作在同功率水平下的最小油耗、最低排放或最大转矩状态。传统的内燃机满足不了来自负载对象的这种需求。

传统的内燃机由燃烧室、缸体、活塞、连杆、曲柄、喷嘴、活塞环、缸盖、缸底等部件构成，其工作过程通常分为二个冲程或四个冲程完成一个能量转换的循环。当燃烧室内的高压可燃气体燃爆后产生推力带动活塞移动，从而带动连杆和曲柄将热能变换成机械能而对外做功。这种内燃机提供的动力参数关系远离双曲线特性，同时为保证内燃机正常工作的范围及适宜的工作区域，在动力传动系统中还要配装复杂的变速装置，从而造成能耗大、污染严重、动力不足及装置复杂、笨重等问题。

发明内容：

本发明的目的在于克服传统内燃机存在的能耗大、污染严重、动力不足及装置复杂、笨重、不能适应负载对象需求等突出缺点，寻求设计一种由燃烧产生的热能直接变换成机械能与油压能状态，并在机体内通过行星排汇流输出动力的方法及其所使用的装置。本发明的方法及其装置可以提供一种简单、高效、方便的具有双曲线输出特性的双调节能源动力装置。尤其是采用该方法使用的装置，对于整个动力传动系统来说，可以简化设备结构，缩小设备体积，节约原材料，减少污染环节等。

为了实现上述发明目的，本发明的方法在含有活塞、柱塞、连杆、曲轴的V型能量转换装置及带变量液压马达的能量汇流装置中完成，V型能量转换装置分为两列，每列工作缸数目、缸径可相同也可不同，活塞缸列用于热能向机械能的转换，柱塞缸列用于机械能的分流及向液压能的转换；用于热能向机械能转换的活塞缸列工作机构即活塞工作缸—活塞—活塞连杆—曲轴，通过一个工作循环即进气、压缩、燃烧与膨胀、排气等过程、活塞运动两个或四个行程，曲轴旋转一周或两周实现一次热能向机械能的转换；用于机械能分流及向液压能转换的柱塞缸列工作机构即柱塞工作缸—柱塞—柱塞连杆—曲轴，通过一个工作循环即曲轴旋转一周，柱塞运动两个行程，通过进油液、排油液等过程完成一次能量分流及向液压能的转换工作；用于功率汇流的带变量液压马达的能量汇流装置，通过汇流两路能量即分流后曲轴输出的机械能量与柱塞缸列分流转换后输出的液压能量，实现能量汇流和转速调节并完成对外的机械能输出；对于活塞缸列，其工作原理与传统内燃机类似，双能态转换、能量分流、汇流及整体性工作原理说明如下。

活塞缸列工作机构将燃料热能转换为曲轴的机械旋转能量，获得能量的曲轴一方面直接对机械负荷作功，一方面通过柱塞连杆将能量分流到柱塞，曲轴旋转半周，柱塞运动一个行程，曲轴旋转一周，柱塞运动两个行程。在分流动力作用下，柱塞自上止点向下止点运动时，油液进口阀开启，油液出口阀关闭，柱塞工作室与油液进入通道连通，与油液排出通道隔离，随着柱塞向下止点运动，柱塞工作室容积逐渐增大，形成真空，通过油液进口阀吸入经过过滤的低压油液；柱塞自下止点向上止点运动时，油液进口阀关闭，油液出口阀开启，柱塞工作室与油液进入通道隔离，与油液排出通道连通，随着柱塞向上止点运动，柱塞工作室容积逐渐减小，油压加大，通过油液出口阀排出高压油液，实现分流能量向油压能的转换。这样就实现了一个完整的热能向机械能和液压能的转换循环，如此周而复始，就形成了由曲轴输出的机械能量流和由油液排出通道输出的液压能量流。油液排出通道与液压马达的入口连通，获得液压能的油液经液压马达完成液压能向机械能的转换，同时实现分流能量比率、液压马达输出转速与转矩的调整。能量汇流装置将曲轴作为第一输入轴，将液压马达输出轴作为第二输入轴接收两路机械能量流的输入，汇流后完成整机机械能的输出工作。

活塞缸列、柱塞缸列、变量液压马达及能量汇流装置整体连接后，通过调整液压马达变量机构可调整活塞缸列、柱塞缸列、液压马达及能量汇流装置的工作状态及能量分流、汇流规律，保证活塞缸列及整机最好的经济性、动力性及排放性能，使整机的动力输出参数具有双曲线工作特性，适应负载在同功率水平下对转速变化的需求；通过调整活塞缸列的油门调整整机对外的输出功率，适应负载对功率的需求。

完成上述能量转换的装置主要由活塞工作室、活塞、活塞连杆、活塞工作缸、柱塞工作室、柱塞、柱塞连杆、柱塞工作缸、曲轴、缸盖、曲轴箱、燃油泵、喷油器、燃油过滤器、空气过滤器、活塞环、柱塞环、进气门、排气门、油液过滤器、油液进口阀、油液出口阀、油液进出通道、液压马达、能量汇流装置即行星排等部件组成；活塞工作缸、柱塞工作缸、缸盖和曲轴箱组成装置的主体固定不动；活塞与缸盖、活塞工作缸内壁构成活塞工作室；柱塞与缸盖、柱塞工作缸内壁构成柱塞工作室；活塞、柱塞在缸体中既可以往复运动，又通过活塞环、柱塞环将活塞工作室、柱塞工作室密封；活塞通过活塞连杆、柱塞通过柱塞连杆与曲轴相连；位于同一曲轴轴径上的活塞连杆与柱塞连杆可以位于同一运动平面，也可以位于不同的运动平面；液压马达与柱塞工作室通过油液出口阀连接构成分流调速回路；曲轴、液压马达输出轴与能量汇流装置三个输入输出构件中的任意两个连接构成能流汇流系统。

本发明方法及其装置与现有技术相比，由于液压马达直接与曲轴连接，省去了液压泵，在实现由热能向机械能转换方面，由于工作原理的变化，充分保证了活塞缸列及整机处于合理的负荷工作状态，具有最好的经济性、动力性及排放性能，使整机的动力输出参数具有双曲线工作特性。具有能量转换效率高，工作原理简单，实施过程灵活，不但可以节省能源、降低污染，而且可以大大简化与其相连的动力传动系统的结构、节省原材料等优点。

附图说明：

图1为本发明装置的结构原理示意图；

图2为本发明实施例车用双调节机械能量输出动力传动系统结构原理示意图；

图3为本发明实施例可实现制动能量回收与再利用的车用双调节机械能量输出动力传动系统结构原理示意图。

具体实施方案：

本发明装置的部件组成主要有：活塞工作室1、活塞2、活塞连杆3、活塞工作缸4、柱塞工作室5、柱塞6、柱塞连杆7、柱塞工作缸8、曲轴9、缸盖10、曲轴箱11、燃油泵12、喷油器13、燃油过滤器14、空气过滤器15、活塞环16、柱塞环17、进气门18、排气门19、油液过滤器20、油液进口阀21、油液出口阀22、油液进入通道23、油液排出通道24、液压马达25、能量汇流装置(行星排)26、太阳轮27、齿圈28、行星架29、行星轮30、油压储能器31和限压阀32等部件组成；活塞工作缸4、柱塞工作缸8、缸盖10和曲轴箱11组成装置的主体固定不动；活塞2与缸盖10、活塞工作缸4内壁构成活塞工作室1；柱塞6与缸盖10、柱塞工作缸8内壁构成柱塞工作室6；活塞2、柱塞6在缸体中既可以往复运动，又通过活塞环16、柱塞环17将活塞工作室1、柱塞工作室5密封；活塞2通过活塞连杆3、柱塞6通过柱塞连杆7与曲轴9相连；位于同一曲轴9轴径上的活塞连杆3与柱塞连杆7可以位于同一运动平面，也可以位于不同的运动平面；活塞工作缸4与柱塞工作缸8成V型，中心线分别或共同交于曲轴9中心线上。液压马达25与柱塞工作室5通过油液出口阀22、油压储能器31和限压阀32连接构成稳压调速回路；曲轴9、液压马达25输出轴分别与能量汇流装置26的三个输入输出构件中的任意两个连接构成能流汇流系统。整机装置的配制可以按常规方法构置而成。热能向机械能的转换由活塞缸列实现，其工作原理与传统内燃机类似，其双能态转换、能量分流、汇流及整体性工作原理说明如下。

活塞缸列工作机构即活塞工作缸4—活塞2—活塞连杆3—曲轴9，通过一个工作循环即进气、压缩、燃烧与膨胀、排气等过程、活塞2运动两个(二冲程转换)或四个(四冲程转换)行程、曲轴9旋转一周(二冲程转换)或两周(四冲程转换)实现一次热能向机械能的转换，周而复始的工作循环，连续地将燃料热能转换为曲轴9的机械旋转能量。获得能量的曲轴9一方面直接对机械负荷作功，一方面通过柱塞连杆7将能量分流到柱塞6，曲轴9旋转一周，柱塞6运动两个行程，完成一次分流能量向油压能的转换。

进油行程：在分流动力作用下，柱塞6自上止点向下止点运动时，油液进口阀21开启，油液出口阀22关闭，柱塞工作室5与油液进入通道23连通，与油液排出通道24隔离，随着柱塞6向下止点运动，柱塞工作室5容积逐渐增大，形成真空，通过油液进口阀21吸入经过过滤的低压油液。柱塞6到达下止点时，完成进油行程，此时，柱塞工作室5容积达到最大，并且充满低压油液。

排油行程：在分流动力作用下，柱塞6自下止点向上止点运动时，油液进口阀21关闭，油液出口阀22开启，柱塞工作室5与油液进入通道23隔离，与油液排出通道24连通，随着柱塞6向上止点运动，柱塞工作室5容积逐渐减小，油压加大，通过油液出口阀22排出高压油液。柱塞6到达上止点时，完成排油行程。

对应一个热能向机械能转换的工作循环，通过能量分流可完成一个(二冲程转换)或两个(四冲程转换)分流能量向油压能的转换循环。这样就实现了一个完整的热能向机械能和油压能的转换循环，如此周而复始，就形成了由曲轴9输出的机械能量流和由油液排出通道24输出的油压能量流。油液排出通道24通过油压储能器31和限压阀32与液压马达25的入口连通，获得油压能的油液经液压马达25实现油压能向机械能的转换，同时实现分流能量比率、液压马达25输出转速与转矩的调整。能量汇流装置26将曲轴9作为第一输入轴，将液压马达25输出轴作为第二输入轴接收两路机械能量流的输入，汇流后完成整机机械能的输出工作。

活塞工作缸4、柱塞工作缸8、液压马达25及能量汇流装置26整体连接后，通过调整液压马达25变量机构可调整活塞工作缸4、柱塞工作缸8、液压马达25及能量汇流装置26的工作状态及能量分流、汇流规律，保证活塞工作缸4及整机最好的经济性、动力性及排放性能，使整机的动力输出参数具有双曲线工作特性，适应负载在同功率水平下对转速变化的需求；通过调整活塞工作缸4的油门调整整机对外的输出功率，适应负载对功率的需求。

本发明中的两列工作缸以V形夹角相连于同一根曲轴9上，V形夹角的大小根据工作缸数和总体布置的要求确定，一般取为60°、90°、120°、180°，当V形夹角取为180°时，两列工作缸成为对置式。将热能转换为机械能的活塞缸列工作机构可为二冲程转换，亦可为四冲程转换；燃料可为油液燃料如柴油、汽油，亦可为气体燃料如天然气、液化气等；能量汇流装置26可为单行星式，亦可为双行星式。根据需要可产生多种变型装置。

实施例1：车用双调节机械能量输出传动系统

在本发明涉及的能量转换装置33上采用常规技术方法配装燃料供给系统34、冷却系统35、润滑系统36、启动系统37和点火系统38，同时在能量转换装置33的输出端按现有技术工艺再连接一简单两档变速箱39、传动轴40、后桥41及半轴42等构成车用双调节机械能量输出动力传动系统。

实施例2：可实现制动能量回收与再利用的车用双调节机械能量输出传动系统

在本发明涉及的能量转换装置33上采用常规技术方法配装燃料供给系统34、冷却系统35、润滑系统36、启动系统37和点火系统38，同时在曲轴9上采用常规技术方法再配装制动器43，在能量转换装置33的输出端按现有技术工艺再连接一简单两档变速箱39、传动轴40、后桥41及半轴42等构成可实现制动能量回收与再利用车用双调节机械能量输出传动系统，该系统除具有实施例1所具有的优点外，还可以实现惯性负载制动能量的回收与再利用功效。

Claims (5)

1、一种双调节机械能量输出的方法，其特征在于该方法在含有活塞、柱塞、连杆、曲轴的V形能量转换装置及带变量液压马达的能量汇流装置中完成，活塞缸列用于热能向机械能的转换，柱塞缸列用于机械能的分流及向油压能的转换；活塞缸列通过一个工作循环，活塞运动两个或四个行程，曲轴旋转一周或两周实现一次转换；柱塞缸列通过一个工作循环，曲轴旋转一周，柱塞运动两个行程完成一次能量分流及向液压能的转换；带变量液压马达的能量汇流装置实现能量汇流和转速的调节；能量汇流装置将曲轴做为第一输入轴，将液压马达输出轴做为第二输入轴接收两路机械能量的输入，汇流后完成整机机械能输出；液压马达与柱塞工作室通过油液出口阀连接，柱塞通过柱塞连杆与曲轴相连。

2、根据权利要求1所述的双调节机械能量输出的方法，其特征在于柱塞自上止点向下止点运动时，油压进口阀开启，流体出口阀关闭，柱塞工作室与油液进入通道连通，与油液排出通道隔离，随着柱塞向下止点运动，柱塞工作室容积逐渐增大，形成真空，通过油液进口阀吸入经过过滤的低压油液；柱塞自下点向上止点运动时，油液进口阀关闭，油液出口阀开启，柱塞工作室与油液进入通道隔离，与油液排出通道连通，随着柱塞向上止点运动，柱塞工作室容积逐渐减小，油压加大，通过油液出口阀排出高压油液，实现分流能量向油压能的转换。

3、根据权利要求1所述的双调节机械能量输出的方法，其特征在于活塞缸列、柱塞缸列、液压马达及能量汇流装置整体连接后，通过调整液压马达变量机构可调整工作状态及能量分流、汇流规律，使整机的动力输出参数具有双曲线工作特性。

4、一种双调节机械能量输出的装置，主要由活塞工作室、活塞、活塞连杆、活塞工作缸、柱塞工作室、柱塞、柱塞连杆、柱塞工作缸、曲轴、缸盖、曲轴箱、燃油泵、喷油器、燃油过滤器、空气过滤器、活塞环、柱塞环、进气门、排气门、油液过滤器、油液进口阀、油液出口阀及油液进出通道、液压马达、能量汇流装置等部件组成，其特征在于活塞工作缸、柱塞工作缸、缸盖和曲轴箱组成装置的主体固定不动；活塞通过活塞连杆、柱塞通过柱塞连杆与曲轴相连；变量液压马达与柱塞工作室通过油液出口阀连接构成分流调速回路；曲轴、液压马达输出轴分别与能量汇流装置的三个输入输出构件中的任意两个连接构成能流汇流系统，能量汇流装置为行星式结构。

5、根据权利要求4所述的双调节机械能量输出的装置，其特征在于活塞工作缸与柱塞工作缸成V形，中心线分别或共同交于曲轴中心线上；V形夹角一般取60°、90°、120°、180°，当V形夹角取180°时，两列工作缸成对置式。

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