CN1504633A - 多用内燃往复发动机 - Google Patents

Abstract

多用内燃往复发动机是一种新型特种发动机。它没有常规内燃机用以输出功率的连杆和曲轴，其动力活塞和发电机动子或压气机压气活塞，液压机柱塞直接连接，结成一体；构成往复发电机，往复压气机或液压机。在发动机配气轮上设有由电磁驱动的压缩比调节装置，可在运转中灵活改变压缩比。由两对伞齿轮和一根钢管组成的同步机构，平衡往复运动的质量，消除振动。发动机可附加增压、尾气净化等各种设备。由于发动机结构简单紧凑，没有气缸侧向压力，压缩比可调，所以便于起动，能够减少磨损，提高效率，降低油耗，适应各种工况变化，使用包括重油在内的多种燃料，并符合环保要求。可用做车、船、泵站、建筑等工程动力和中小功率供电电源。

Description

多用内燃往复发动机

技术领域

本发明为一种新型特种发动机，涉及发电机、压气机和液压机。

技术背景

当前工程上广泛使用的，以内燃机为动力的往复式压气机和液压机，由两部份组成。在动力部份将内燃机活塞的往复运动，经过连杆、曲轴变为旋转运动输出功率；在压气机或液压机中再经过连杆、曲轴变为往复运动，带动压气机活塞或液压机柱塞。其结构既复杂，效率也低。通常使用的以内燃机为动力的发电机，也是以旋转轴带动发电机，其实发电并不一定需要旋转。因为内燃机原本是一种往复运动，就以内燃机为动力的压气机，液压机和发电机来说，旋转这一过程实际是多余的。就内燃机来说，因为有连杆和曲轴，也限制了性能的进一步提高。

现在虽然也有直接作用的自由活塞式压气机、液压机和往复式发电机，如1998年朱仙鼎主编“特种发动机原理与结构”中所述各种自由活塞压气机、液压机、往复发电机；1995年5月皮尔.安德烈.里加诺在我国申请的国际发明专利，线性发电机(95193464.3)等，由于控制部份过于复杂，或不适应迅速变动的负荷等缺点，得不到广泛的应用。我本人于1999年5月获得ZL97226009.9号专利的内燃往复发电机，由于当时没有提出在运转中改变压缩比和消除振动的具体方法，也不够完善。

发明内容

本发明的目的在于：简化以内燃机为动力的发电机、压气机和液压机的机械结构并提高其效率。实现这一目的方法是省去普通内燃机用以输出功率的连杆和曲轴，将内燃机的活塞和发电机动子、压气机活塞或液压机的柱塞直接连接，在结构上使其成为一体，构成内燃往复发电机、内燃往复压气机或内燃往复液压机。发动机由两个或四个内燃机气缸在发电机定子、压气缸或液压缸两边对称设置。小型机也可以做成单汽缸，对称的另一面设一弹簧，加上配气轮的惯性，做回程动力。多缸可以直列，共用一根曲轴。

为了保证发动机稳定可靠的运转和适应各种工况，内燃往复发动机设有配气轮采取成熟的凸轮配气机构，控制内燃机的喷油、进、排气，由一个轻巧的连杆和内燃机活塞杆连接，带动配气轮旋转。在配气轮上沿径向开有一个长槽，槽内连杆的一端，通过一个电动轮提供动力，可以在长槽内活动。调节连杆和配气轮的偏心距离，可以改变活塞的行程，能够在运转中灵活改变气缸的压缩比。

所述发动机的动力活塞为扁平状，气缸后腔的缸径可以改变，可以密封，可做为祛气缸或增压缸。发动机可以是二冲程，也可以是四冲程，可以点燃，也可压燃，可以自然吸气，也可以采用增压，也不影响附加排气净化等各种装置。

双缸发动机在各自的配气轮上设有一对伞齿轮，由一钢管将两对伞齿轮啮合连接，构成同步机构，以消除振动。

由于内燃往复发动机没有输出功率的连杆和曲轴，气缸没有侧向压力，又可以灵活改变压缩比，所以大大减少了磨损，便于起动，还可以大幅度提高气缸有效压力，提高效率，降低油耗和使用包括燃气、汽油、柴油、重油等多种燃料。是结构紧凑、高效节能、符合环保要求的新型发动机。

附图说明

图1是内燃往复压气机示意图。

图2是单缸永磁内燃往复发电机示意图。

图3是双缸电励磁内燃往复发电机示意图。

图4是双缸永磁内燃往复发电机示意图

图5是内燃往复发动机压缩比调节装置示意图。

图6是内燃往复发动机同步装置示意图。

图7是四缸直列内燃往复发动机示意图

图8是内燃往复发电机起动装置示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对多用内燃往复发动机做进一步说明。

参见图1，图1所示内燃往复发动机用做压气机时，主要部件有气缸(1)、活塞(2)、活塞杆(3)、连杆(4)、配气轮(5)和压气活塞(6)、压气缸(7)。内燃机的动力活塞(2)通过活塞杆(3)和压气活塞(6)直接连接。其动作原理和普通内燃机和压气机并无差别，只是结构简化了，去掉了内燃机用以输出功率的连杆和曲轴。配气轮的旋转只需要轻巧的连杆，带动凸轮控制运转，活塞行程，即压缩比可以调节。单缸以配气轮的惯性做回程动力、双缸对称设置。

参见图2，图2是单缸永磁内燃往复发电机。除内燃机部件外，发电机有两个定子铁心(8)和两个感应绕组(11)并列安置，中间有一隔磁间隙(12)。永磁铁动子(13)和活塞杆(3)连接，在两个定子(8)中间往复摆动，循环交替地接通和断开两个定子的磁路，在感应绕组(11)中感生电流。内燃机气缸安装在定子铁心(8)的一侧，另一侧设有弹簧(14)，由弹簧(14)的弹性和配气轮(5)的惯性，提供活塞回程动力，仍由一个配气轮(5)带动凸轮，控制内燃机运转。

参见图3，图3所示双缸电励磁内燃往复发电机示意图。除内燃机部件外，有两个山字形定子(8)，在软铁动子(9)上下安置，两个动力气缸(1)在定子两边设置。动子铁心(9)通过活塞杆(3)和活塞(2)相连，在上下定子中间摆动。定子铁心上有励磁绕组(10)和感应绕组(11)，励磁绕组可用普通导线，也可用超导电线。由于活塞行程是可变的，所以定子铁心截面在靠近动子铁心(9)的地方，稍有扩大。增大的幅度和活塞行程最大变动相一致，以保证在活塞行程变化时，磁路仍可完全耦合。山字形定子铁心的电工钢片可以简单叠加，也可以组成圆筒形，动子铁心(9)大体是长方形或圆柱形，具体形状可以根据输出电流波形的需要加以调整。需要方波时，铁心边缘为锐角，正弦波时为圆角。连杆(4)和活塞杆(3)活动连接，带动配气轮(5)控制发电机运转。

参见图4，图4是双缸永磁内燃往复发电机示意图。发电机有两个带有齿槽的条形定子铁心(8)，在永磁动子(13)上下安置，定子铁心齿槽中镶有感应绕组(11)。永磁动子(13)两级附有软铁(27)，通过活塞杆(3)和活塞(2)做刚性连接，在定子铁心中间往复摆动，改变定子的磁路，在感应绕组(11)中感生电流。活塞杆(3)还和连杆(4)活动连接，带动配气轮控制发动机运转。

参见图5，图5是内燃往复发动机压缩比调节装置示意图。

如图所示，发动机配气轮(5)上，开有一个长槽(17)，连杆(4)的一端和内燃机活塞杆(3)做活动连接，连杆(4)的另一端也通过一个活动轴(25)连接在一个螺母(15)上，螺母安装在配气轮(5)的径向长槽(17)里，螺母内有一带轴的螺杆(16)，螺杆(16)旋转时，可带动连杆(4)在长槽内活动。螺杆底部均匀排列镶有6块永磁铁(13)，机座上安装有两个电磁铁(18)组成电动轮。螺杆(16)的旋转是在配气轮(5)转动时，由螺杆(16)上的永磁铁(13)和固定在机座上的电磁铁(18)相互作用获得的。电磁铁不加电，螺杆(16)被自身上的永磁铁(13)吸死，不会转动，改变电磁铁(18)的极性，即可改变螺杆(16)的旋转方向，控制电磁铁(18)的极性和加电时间，即可改变连杆(4)和配气轮轮轴的偏心距离，从而改变活塞的行程，实现内燃机在运转中灵活改变压缩比。这对内燃机的起动和适应各种工况都非常有利，由于内燃往复发动机的气缸不承受侧向压力，通过这一装置，在内燃机起动后，可以大幅度提高气缸压力，预计最高燃烧压力可达25Mpa，这是一般柴油机无法达到的。

参见图6，图6是内燃往复发动机同步装置示意图。

内燃往复发动机在单缸工作时，由于往复运动的质量不能平衡，会引起振动。小型机运动质量较小，振动有限，较大双缸发动机需要安装同步机构。同步机构是在配气轮(5)的旋转轴上安装一对伞齿轮(22)，通过钢管(23)，使两缸两对伞齿轮啮合连接起来，安装的角度是配气轮长槽(5)和钢管(23)互成90°角，使两个活塞同时相向或相反动作，以平衡往复运动的质量，消除振动。

参见图7，图7是四缸直列内燃往复发动机示意图

内燃往复发动机在双缸或多缸配置时，气缸可以对称安置，也可以直列。直列发动机如同传统内燃机一样，各缸连杆(4)共用一根曲轴(28)，活塞杆(3)分岔跨越在曲轴上传输功率，每组两个动力活塞安装相位相差180°，也可同步减震。直列发动机曲轴前端设有正时齿轮(29)，后端设有飞轮(30)。

参见图8，图8是内燃往复发电机起动装置接线示意图。

内燃往复发动机做为压气机或液压机时，其起动装置和普通内燃机相同。做为发电机时，则不需要专门的起动装置，只要在输出电路上附设两个开关。一个为双向开关(19)，一个为换向开关(20)，在发动机起动时，切断发电机的负荷电路(21)，并由蓄电池(24)给发电机励磁绕组(10)施加直流电，通过换向开关(20)给感应绕组(11)施加脉动交流电，使发电机变为往复电动机，做为起动装置。

Claims (10)

1.一种多用内燃往复发动机，包括气缸(1)、活塞(2)、活塞杆(3)和配气轮(5)，用做发电机还有定子(8)、动子(9)、励磁绕组(10)和感应绕组(11)；用做压气机和液压机附有压气缸(7)、压气活塞(6)或液压缸、液压柱塞，其特征是：所述动力活塞(2)通过活塞杆(3)和发电机动子(9)，或压气活塞(6)，液压柱塞直接连接，结成一体，发动机活塞杆上设有一连杆(4)，带动配气轮(5)旋转，控制发动机、喷油、配气，配气轮上设有一径向长槽(17)，连杆(4)的一端通过一个电动轮提供动力，可在长槽里滑动，调节连杆和配气轮轴的偏心距离，以改变气缸压缩比，双缸配置时，在配气轮轴上设有一对伞齿轮(22)，由一钢管(23)将两缸两对伞齿轮啮合连接，组成同步机构，内燃机活塞为扁平形，汽缸(1)底部密封，气缸后腔构成祛气缸(26)，多缸可以直列。

2.根据权利要求1所述多用内燃往复发动机，其特征是：由两个或四个内燃机气缸(1)在发电机定子(8)或压气缸(7)、液压缸两边对称设置，小型机为单缸，和气缸对称的另一端设有一弹簧(14)，用弹簧和配气轮(5)的惯性做回程动力。

3.根据权利要求1所述多用内燃往复发动机，其特征是：在发动机配气轮(5)上，开有一径向长槽(17)，连杆(4)的一端和活塞杆(3)活动连接，另一端通过一个活动轴(25)连接在一个螺母(15)上，螺母安装在配气轮的长槽(17)里，螺母内有一带轴的螺杆(16)，螺杆底部四周均匀排列6块永磁铁(13)，机座上安装两块电磁铁(18)，组成电动轮，在配气轮(5)转动时，永磁铁(13)和电磁铁(18)相互作用，使螺杆旋转，带动螺母和连杆在长槽里滑动，控制电磁铁的极性和加电时间，即调节连杆和配气轮轴的偏心距离，改变活塞行程。

4.根据权利要求1所述多用内燃机往复发动机，其特征是：用做发电机时，有一个或两个发电机动子(9)，两个或四个定子(8)，定子铁心上缠有感应绕组(11)和励磁绕组(10)，定子的安置做上下、左右或十字形对称排列，动子在对称定子中间通过活塞杆(3)和活塞(2)连接，往复摆动，循环交替地接通或断开定子磁路，定子铁心的端部，靠近动子的部位，铁心断面有所增加，形成类似喇叭形，增加的幅度和活塞行程最大变动相一致，所述发电机动子(9)是软铁，或以高性能永磁铁代替软铁与励磁绕组，动子的极性可以横向安置，也可以竖向安置，动子的形状大体为圆柱形和长方形，并根据输出电流波形的需要加以调整，要求方波时，动子边缘为锐角，正弦波为圆角，定子和动子之间可以有气隙，也可无气隙。

5.根据权利要求1和4所述内燃往复发电机，其特征是：做单缸、永磁配置时，只有1个气缸(1)安在定子的一边，有两个凹字形定子铁心(8)并列，两定子中间有一隔磁间隙(12)，定子铁心上缠有感应绕组(11)，一个永磁动子(13)通过活塞杆(3)和活塞(2)连接，在两个定子之间摆动，永磁动子(13)的另一端和一弹簧(14)连接，活塞杆(3)还和连杆(4)活动连接，带动配气轮(5)旋转。

6.根据权利要求1和4所述内燃往复发电机，用做电励磁发电时，其特征是：有两个山字形定子铁心(8)和一个软铁动子(9)，两个定子在动子上下或左右安置，两个气缸(1)在定子两边对称设置，软铁动子(9)通过活塞杆(3)和活塞(2)相连，在定子(8)中间摆动，定子铁心上有励磁绕组和感应绕组，山字形铁心可以简单叠加，也可组成圆筒形，励磁绕组可用普通导线，也可用超导电线。

7.根据权利要求1和4所述内燃往复发电机，用做双缸永磁发电机时，其特征是：发电机有两个或四个带有齿槽的条形定子铁心(8)，在永磁动子(13)上下或上下左右安置，定子铁心齿槽中镶有感应绕组(11)，永磁动子(13)两极附有软铁(27)，通过活塞杆(3)和活塞(2)做刚性连接，在定子铁心中间往复摆动，活塞(3)还和连杆(4)活动连接，带动配气轮旋转。

8.根据权利要求1和2所述内燃往复发动机，其特征是：在双缸或四缸配置时，在配气轮轴上附有一对伞齿轮(22)，由一根钢管(23)将两缸两对伞齿轮啮合连接起来，构成同步装置，安装的角度是配气轮长槽(17)和钢管(23)互成90度，使两个活塞同时相向或相反运动。

9.根据权利要求1所述内燃往复发动机，其特征是：在双缸或多缸配置时，也可以直列安置，直列往复发动机各连杆(4)共用一根曲轴(28)，活塞杆(3)分岔跨越在曲轴(28)上传输功率，每组两个动力活塞安装相位相差180°，构成同步机构，直列发动机曲轮前端设有正时齿轮(29)，后端设有飞轮(30)。

10.根据权利要求1和4所述内燃往复发电机，其特征是：在发电机输出电路上，设有两组开关，一组为双向开关(19)，一组为换向开关(20)，双向开关和感应绕组(11)、负荷(21)和换向开关(20)连接，换向开关(20)和双向开关(19)、蓄电池(24)、励磁绕组(10)连接，起动时，扳动双向开关和换向开关，断开负荷(21)由蓄电池(24)给励磁绕组(10)施加直流电，通过换向开关(20)给感应绕组(11)施加脉动交流电，使发电机变为往复电动机，做为起动装置。

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