CN1399061A - 由热能同时转变成机械能与流体压力能的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由热能同时转变成机械能与流体压力能的方法及其所使用的装置，其方法在由活塞缸列和柱塞缸列构成的V形装置中完成，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流体压力能的转换，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流体压力能的转换，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，可应用于多种能态需求的工作场合。

Description

由热能同时转变成机械能与流体压力能的方法及其装置

本发明涉及一种能量状态的转换方法及其装置，具体地说是一种由热能同时直接转变成机械能与流体压力能的方法及其所使用的装置。

传统的流体压力能一般是经过机械能转换而获得，而机械能通常是由热能或电能转换而来。但就热能向流体压力能的转换，除了需经机械能状态的过渡外，还有传递与参数变换多个环节，而且涉及的设备装置也相对复杂。热能向机械能转换的现有装置主要有活塞式内燃机，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推动活塞移动，从而带动连杆和曲柄将热能变换成机械能而对外做功。由于现实中同时应用机械能与流体压力能场合很多，所以经常要将机械能(由热能或电能转换而成)分成两路，其中一路由常规流体泵将机械能变换成流体压力能，其常规设备如柱塞泵，主要由缸体、偏心轮、柱塞、弹簧、进出口阀等部件组成，由机械能带动偏心轮从而使柱塞作轴向往复运动，靠密封容积的大小交替变化而形成流体压力能量状态。目前这种由热能向机械能和流体压力能转换的技术方法需要通过四个环节，一是由内燃机实现热能向机械能的转换；二是由机械能分流装置实现机械能的分流；三是由机械变速连接装置实现分流机械能向流体泵的传递及参数变换；四是由流体泵实现机械能向流体压力能的转换。正是因为分流、传递及转换过程的多环节及设备本身的原因，使这种能态变换普遍存在转换效率低，转换设备、装置复杂、笨重，性能差，且转换状态适应范围小，使用不便等突出缺点。

本发明的目的在于克服现有热能向机械能与流体压力能状态转换过程需经过机械能分流、传递等环节而造成能量损失大及装置复杂、笨重的突出缺点，寻求设计一种由燃烧产生的热能直接变换成机械能与流体压力能状态的方法及其装置。由于同时应用机械能与流体压力能的领域越来越广，如各种可移动(车辆)或不可移动动力源、风机、泵源等场合，所以本发明方法及其装置可以提供一种简单、高效、方便的可同时亦可单独输出机械能和流体压力能的能源动力装置。尤其是采用该方法使用的装置简化了设备结构，可以缩小设备体积，节约原材料，减少污染环节。

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形能量转换装置中完成，V形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流体压力能的转换。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流体压力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、排油等过程完成一次能量分流及向流体压力能的转换工作。对于活塞缸列，其工作原理与传统内燃机类似，这里不再赘述。下面仅就这种双能态转换装置的能量分流及向流体压力能转换的工作原理说明如下。

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，流体进口阀开启，流体出口阀关闭，柱塞工作室与流体进入通道连通，与流体排出通道隔离，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，通过流体进口阀吸入经过过滤的低压流体；柱塞自下止点向上止点运动时，流体进口阀关闭，流体出口阀开启，柱塞工作室与流体进入通道隔离，与流体排出通道连通，随着柱塞向上止点运动，柱塞工作室容积逐渐减小，室内流体压力加大，通过流体出口阀排出高压流体，实现分流能量向流体压力能的转换。这样就实现了一个完整的热能向机械能和流体压力能的转换循环，如此周而复始。

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、流体过滤器、流体进口阀、流体出口阀及流体通道等部件组成；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。

本发明方法及其装置与现有技术相比，在实现由热能同时向机械能和流体压力能转换方面省去了很多过渡环节，具有能量转换效率高，工作原理简单，实施过程灵活，涉及的装置结构简便，体积小，不但可以节省能源，而且可以节省原材料等优点。

图1为本发明能量转换装置的结构原理示意图；

图2为本发明实施例车用机械-液压混种动力传动装置结构原理示意图；

图3为本发明实施例工程车辆行驶(机械)与工作(液压)动力系统结构原理示意图。

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、流体过滤器20、流体进口阀21、流体出口阀22、流体进入通道23、流体排出通道24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5；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形，中心线分别或共同交于曲轴9中心线上。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，这里不在赘述。下面仅就这种双能态转换装置的能量分流及向流体压力能转换的工作原理说明如下。

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流体压力能的转换。

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，流体进口阀21开启，流体出口阀22关闭，柱塞工作室5与流体进入通道23连通，与流体排出通道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，通过流体进口阀21吸入经过过滤的低压流体。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，并且充满低压流体。

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，流体进口阀21关闭，流体出口阀22开启，柱塞工作室5与流体进入通道23隔离，与流体排出通道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，室内流体压力加大，通过流体出口阀22排出高压流体。柱塞6到达上止点时，完成排油行程。

对应一次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)分流能量向流体压力能的转换循环。这样就实现了一个完整的热能向机械能和流体压力能的转换循环，如此周而复始。

本发明中的两列工作缸以V形夹角相连于同一根曲轴上，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；燃料可为流体燃料如柴油、汽油，亦可为气体燃料如天然气、液化气等。根据需要可产生多种变型装置。当不需要机械能输出时，本发明的装置可作为纯流体动力源或流体输送泵源使用；当不需要流体压力能输出时，本发明的装置可作为纯机械动力源使用。当本发明的装置用做动力输出时，其所用流体一般为液压油；当本发明的装置用做流体输送泵源时，其所用流体根据需要可为一般液体、气体或其他工业流质。

实施例1：车用机械-液压混种动力传动装置

在本发明涉及的能量转换装置25上的流体排出通道24的输出端按现有技术工艺加装储能器26和限压阀27构成高压流体输出的稳压系统，使输出的流体具有稳定的压力供给液压马达28，将液压马达28输出端与行星排29的齿圈30相连接，将曲轴9与行星排29的太阳轮(中心轮)31相连接，由行星排29的行星架32对外输出动力。同时再采用常规技术方法配装燃料供给系统33、冷却系统34、润滑系统35、启动点火系统36等构成车用机械-液压混种动力传动装置。

实施例2：工程车辆行驶(机械)与工作(液压)动力系统

在本发明涉及的能量转换装置25上的流体排出通道24的输出端按现有技术工艺加装储能器26和限压阀27构成高压流体输出的稳压系统，使输出的流体具有稳定的压力供给工作装置液压马达28、液压缸37等，驱动车辆工作装置工作，将曲轴9与传动系38相连接，驱动车辆行驶。同时再采用常规技术方法配装燃料供给系统33、冷却系统34、润滑系统35、启动点火系统36等构成工程车辆行驶(机械)与工作(液压)动力系统。

Claims (4)

1、一种由热能同时转变成机械能与流体压力能的方法，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流体压力能的转换；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流体压力能的转换。

2、根据权利要求1所述的由热能同时转变成机械能与流体压力能的方法，其特征在于柱塞自上止点向下止点运动时，流体进口阀开启，流体出口阀关闭，柱塞工作室与流体进入通道连通，与流体排出通道隔离，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，通过流体进口阀吸入经过过滤的低压流体；柱塞自下止点向上止点运动时，流体进口阀关闭，流体出口阀开启，柱塞工作室与流体进入通道隔离，与流体排出通道连通，随着柱塞向上止点运动，柱塞工作室容积逐渐减小，室内流体压力加大，通过流体出口阀排出高压流体，实现分流能量向流体压力能的转换。

3、一种由热能同时转变成机械能与流体压力能的装置，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、流体过滤器、流体进口阀、流体出口阀及流体通道等部件组成，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、柱塞可以往复运动，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。

4、根据权利要求3所述的由热能同时转变成机械能与流体压力能的装置，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；两列工作缸的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。