CN1249397A - 液压传动内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明属于以液压体动代替曲柄连杆机构的一种新型内燃机。液压传动内燃机由对置活塞内燃缸和两端的柱塞泵、柱塞式内曲线或外曲线油马达单元组合而成。凸轮曲线控制并优化对置活塞的速度分配,液压缸有补液、冷却、换液机构。

Description

液压传动内燃机

本发明属于以液压传动替代曲柄连杆机构的一种新型内燃机。

内燃机采用曲柄连杆机构，将活塞的往复运动转变为旋转运动，是上百年来固定不变的传统。但曲柄连杆机构并非尽善尽美，它有许多先天性不可克报的局限，例如活塞运动规律受园周运动转化的限止，不可能按优化要求设计，运动件不可能完全平衡，摩擦件的数量多等等，使内燃机的发展受到一定限止。因此，多少年来有种种以其他形式代替曲柄连杆机构的设想和试制，如旋转活塞等，其中也包括液压传动。但由于种种原因，主要恐由于技术问题的介决，未臻完善，迄今未能有一种不用曲柄连杆机构而真正能与传统内燃机竞争的内燃机。

本发明的目的是用液压传动代替曲柄连杆机构，以克服其先天性的缺陷，同时又能跨越目前内燃机发展中其他若干障碍，将内燃机的性能，提高到一个新的水平。

液压传动内燃机系由若干单元组合而成(见附图一)。每个单元包括内燃缸与液压传动两部份。内燃缸部份采用对置活塞结构。两对置活塞外死点一端连接一液压柱塞，在两端的液压缸内随同活塞作往复运动，实际上这是两台柱塞式液压泵。油缸另一端也各有一柱塞，顶部有滚轮与径向内曲线或外曲线凸轮环相接触。此柱塞通过液压缸内的液柱与液压泵柱塞一样也随活塞作往复运动，以推动两边的凸轮环旋转。实际上是装在同一输出轴两端的两台柱塞式径向内曲线或外曲线液压马达。当活塞在内死点附近时，气缸内燃油着火澎涨，液压马达的柱塞推动凸轮环上的上升段曲线使凸轮环旋转，输出动力。活塞至外死点后，凸轮环依靠多缸作用以及飞轮效应继续旋转，使下降段曲线推动活塞向内，是为压缩行程。气缸内每一次工作循环(二行程)，相当于凸轮环转动一完整曲线段的角度，因此输出轴的转速可随凸轮环上的完整曲线段数相对气缸内活塞往复频率以整倍数减速。如果单元数为双数，液压马达对凸轮环曲线作对称布置，凸轮环上的完整曲线数也是双数时，除输出轴的扭矩输出外，其他各种外力，都可由于平衡而抵消。

内燃缸部分的进排气口，设置在气缸两端，一端为进汽口，另一端为排气口，其启闭各受两端的对置活塞所控制，而对置活塞的运动，则又各受两端凸轮曲线的形状所控制。因此进排气口的启闭、先后程序及启闭时间以及活塞整个行程的速度分配，都可由两端凸轮环的曲线形状来控制并优化。

由于整机系由单元组合而成，利用同一单元，可用不同的单元数及不同的凸轮环上的曲线数，组成不同容量、不同转速的一系列机型，以满足各种不同用途的需要。

根据上述结构，液压传动内燃机较之一般内燃机，有很多优点，现择其主要的说明如下：

1.对置活塞具有运动件对称平衡，无振动，不需汽缸头不需进排气阀等许多优点，但用曲柄连杆机构时，要将两端的出力并入一根输出轴输出，结构相当复杂，而用液压传动时，如上所述，采用对置活塞，非常方便。

2.由于对置活塞连同液压柱塞等所有运动件都对称平衡，因此整机无振动、噪音小；加上取消了进排气伐，噪音更可减小。

3.由于进排气口分设在气缸两端，一端进气，一端排气，形成直流扫气，使扫气完善。进排气口时面值及启闭程序以及整个活塞运动的速度分布均可控。由于液柱的可压缩性，缓冲作用有利于提高增压度，因之热力性能可改善。加上减少汽缸头冷却损失等因素，热效率可以提高。

4.由于活塞及油泵柱塞无侧向力，减少摩擦损失。整机只需两只主轴承，且除输出扭矩外，由于单元对称平衡，主轴承几乎不受力而无摩擦力。泵与马达直接连接，没有配流器。以上种种因素，都促使提高机械效率。

5.二行程加上对置活塞，单位体积重量的出力必然较大。更由于没有振动，可省去笨重的机身和机座，仅需反扭矩的轻型支架。再加上不需减速齿轮箱等因素，因此整机从体积重量方面来看，具有明显优势。

6.单元结构有利于使用、维护及制造的标准化、系列化及规模效益。加之另件少，无大件，制造厂投资减小，成本降低。

本发明的实施例如附图所示

图一.为总体布置图

图二.为凸轮曲线图

图三.为液压介质补充、冷却及换新的结构及系统图

图四.为活塞与液压泵柱塞浮动连接图

整机由若干单元组成(附图一)，中部为内燃缸，两旁为液压缸，两端为进气端凸轮及排气端凸轮。单元相时凸轮作对称布置。

单元结构见附图一，其中(1)为进汽端液压泵柱塞，(2)为进气端活塞，(3)为气缸，(4)为喷油咀，(5)为排气端活塞，(6)为排气端泵柱塞，(7)为进气端液压马达柱塞，(8)为进气口，(9)为排气口，(10)为排气端马达柱塞，(11)为进气端凸轮，(12)为排气端凸轮，(13)(14)为滚轮。

当(2)(5)两活塞接近内死点位置时，喷油咀(4)喷油着火燃烧，缸(3)内压力升高，推动活塞(2)(5)及泵柱塞(1)(6)外行，马达柱塞(7)(10)随之上行推动凸轮环(11)(12)旋转作功。凸轮环(11)(12)上的曲线大部份相同，但接近外死点处，稍有差异。凸轮环(12)先使排气端活塞(5)将排气口(9)开启，燃气即迅速外排，稍后进气端凸轮环(11)使进气端活塞(2)将进气口(8)开启，压缩空气进入气缸，开始扫气。为了得到要求的时面值，两端凸轮环都可在外死点位置有一段园弧段，即活塞可静止在外死点不动，以延长扫气时间。静止段过后，活塞(2)(5)内行，排气端凸轮环使排气端活塞(5)先将排气口(9)关闭，此时进气口(8)仍开着，继续充气，这样可以提高充气压力。接着活塞(2)将进气口(8)关闭。活塞(2)(5)继续内行，开始压缩行程，直至接近内死点时，喷油着火，缸(3)内压力提高，使活塞外行，开始澎涨行程，这样循环往复。

由于活塞(2)(5)的运动，受两端凸轮环(11)(12)的曲线形状所控制，优化凸轮环的曲线设计，可使气缸内的压缩、澎涨、排气、扫气、充气各过程达到最佳状态。附图二为凸轮环(11)(12)上四个完整段的曲线图。因两端曲线段的绝大部份都相同，只有进排气口启闭部份稍有不同，因此将两曲线合在一起，可以显示进排气口启闭的先后程序。图中脚注1指进气端曲线，脚注2指排气端曲线，无脚注的指两端曲线上共同点。凸轮环转向为顺时针方向。曲线段包括澎涨段ac₂，a点为内死点，直至c₂点排气口开启。排气段c₂c₁，直至c₁点进气口开启，开始扫气。扫气段c₁g₂，直至g₂点排气口关闭。充气段g₂g₁，直至g₁点进气口关闭，g₁a为压缩段。外死点处还有静止段e₂f₂、e₁f₁，以延长扫气时间。压缩、澎涨曲线段中两活塞及泵柱塞运动速度相等、方向相反加上马达柱塞对称布置，因此所有往复运动件全部对称平衡，无外力，无振动。澎涨段开始阶段ab段为高加速段，使两端活塞有大的加速度，一方面缩短气缸内高温的时间，减少冷却损失，另一方面大的加速度可使往复运动组件的惯性力，抵消一部份气缸中的压力，以减轻马达柱塞上滚轮与凸轮环曲线之间的接触应力。曲线中还包括c₁d₁、c₂d₂、f₂g₂、f₁g₁使进排气口都速开速闭，以减少气流的节流损失。当两活塞(2)(5)接近外死点时，两端曲线稍有差异。但差异很小，不影响两活塞的对称平衡。

稳定的压缩比要求液压缸内液柱的长度保持不变。但柱塞间隙的泄漏，不可能完全避免，因此必须随时补液，而且补液量要等于漏泄量。另外液压缸内的介质，还需要冷却和更换，以避免介质温度过高和老化。补液、冷却及更换的系统如附图三。

所有液压缸马达一端有一可调节的排液孔(15)，另一端有一带逆止阀的补液孔(16)。补液压力由一小泵供应，设定压力稍高于大气压。当马达柱塞到达相当于活塞外死点处，柱塞底部将排液孔(15)开启，液压缸内压力迅速降至接近大气压，此时补油孔的逆止阀自动开启，补液进入缸内。活塞外死点处气缸上有一止块(17)(见附图三)，使外死点位置固定，此时马达柱塞也在最外端固定位置，因此不论液压系统内漏油量大小，液柱长度固定不变，压缩比也稳定不变。调节排液孔排油的流量，并不断自动补液，既可起冷却作用，又可起换液的作用。

为了减小活塞与止块(17)的冲击，凸轮曲线上在c₁e₁、c₂e₂段内有一段慢速段d₂e₂、d₁e₁，使活塞速度降至很低，止块(17)上尚可设置机械或液压缓冲装置，使活塞与止块的碰撞控制在容许范围之内。

止块(17)在汽缸上的轴向位置，有一调节机构。止块外延时使活塞外死点外延，则液柱缩短，压缩比降低，反之止块(17)内延，即活塞外死点内延，液柱加长，则压缩比加大。调整止块(17)的轴向位置，即可调整压缩比。是为可变压缩比机构。

为了保证内燃缸内活塞与液压泵柱塞的同心度及平行度，同时减小液压泵液缸与内燃缸的加工精度，活塞与泵柱塞之间的连接，采用浮动结构，如附图四，活塞底部与柱塞接触处为平面，柱塞与活塞接触处为球面。柱塞与活塞连接的罩帽四周之间有间隙，因之柱塞相对活塞的同心度及平行度均可自适应。

Claims (5)

1.由对置活塞内燃缸及柱塞式液压泵，柱塞式径向内曲线或外曲线液压马达组成的液压传动内燃机，其特征是汽缸活塞与液压泵柱塞直接连接。泵柱塞与马达柱塞之间直接由液柱连通。除两端的凸轮环外，内燃缸与液压泵、液压马达组成单元。整机单元数为双数，两端凸轮环上的完整曲线段也是双数。液压马达相对凸轮环曲线作对称布置。凸轮环上一个完整曲线段控制并优化活塞整个行程的速度分配。液压缸上有补液、冷却及换液装置。

2.按权利要求1中所述的两端凸轮环上的曲线，其特征是每一完整曲线段控制并优化活塞整个行程，包括澎涨段、高加速段、进排气口快速启闭段、慢行段、静止段及压缩段。两端曲线除排气部份外，全部相同。两端进排气部份，曲线稍有差异，排气口先开先闭。

3.按权利要求1中所述的液压缸上有补液、冷却、换液装置，其特征是液压缸上液压马达一端有一受马达柱塞底部控制的可调节排油孔，液压缸另一端有一带逆止伐的补液孔。补液压力设定稍高于大气压。

4.按权利要求1中所述的对置活塞内燃缸，其特征是汽缸上在对置活塞外死点处有一止块，此止块可依所要求的压缩比调整轴向位置。

5.按权利要求1中所述的对置活塞与液压泵柱塞，其特征是活塞与柱塞浮动连结在一起。活塞底部与柱塞接触处为平面，柱塞端部与活塞底部平面接触处为球面。两者连接的连接器与柱塞四周有活动间隙。

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