CN202732212U - 一种液压发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液压发动机，所述液压发动机包括气缸，所述气缸包括缸套和缸盖，所述缸盖上安装有燃料雾化喷嘴和排气门，其中，所述缸套内设有带回位弹簧的活塞，所述活塞上部为燃烧室，下部为液压室，所述液压室上设有一个进油单向阀和一个出油单向阀；所述进油单向阀和出油单向阀的安装方向相反并通过高压油管、回油管与液压马达相连形成闭合回路。本实用新型提供的液压发动机，采用一对单向阀形成油路循环使液压能定向传递到液压马达对外做功，并且随时可空载运行，从而有效提高能量转化效率，且结构简单可靠，易于维护。

Description

一种液压发动机

技术领域

本实用新型涉及一种发动机，尤其涉及一种液压发动机。

背景技术

传统往复活塞四冲程内燃机工作特点是，燃料在气缸内燃烧，所产生的燃气直接推动活塞做功。

开始，活塞向下移动，进气阀开启，排气阀关闭，汽油与空气的混合气进入气缸。当活塞到达最低位置后，改变运动方向而向上移动，这时进排气阀关闭，缸内气体受到压缩。压缩终了，电火花塞将燃料气点燃。燃料燃烧所产生的燃气在缸内膨胀，向下推动活塞而做功。当活塞再次上行时，进气阀关闭，排气阀打开，做功后的烟气排向大气。重复上述压缩、燃烧，膨胀，排气等过程，周期循环，不断地将燃料的化学能转化为热能，进而转换为机械能。

传统的内燃机依靠曲柄连杆机构把活塞的往复直线运动变为曲轴的旋转运动，连杆机构的传动角越大（90°），对机构的传动越有利，而活塞、连杆和曲轴在运动过程中传动角的大小是变化的，做功行程刚开始时，燃气压力达到最高，但此时活塞位于上止点时，传动角为零，对传动极为不利；当活塞运行到上下止点中间位置时，传动角也只能达到（45°），而此时活塞对对气缸壁的压力角也达到了最大，产生侧向力为F_c=Ftanβ，阻碍活塞的直线运动；此外，传统内燃机的曲柄连杆机构中，当连杆与曲柄共线时的位置称为死点，为了使传统内燃机顺利通过死点而正常运转，起动前必须依靠外力驱动才能开始运行，而起动后即使不需要输出动力也要有约（700转/分钟）左右的怠速，才能维持正常空转。

内燃机不能从停车状态自行转入运转状态，必须由外力转动曲轴，使之起动。起动过程不能有负载，而空载时的怠速状态需不断消耗燃料。特别是传统车辆的内燃机系统是设计在以整车动力性、加速性和爬坡能力为主要解决矛盾为目标的，因此在某种意义上说：一方面是为了解决这些矛盾在设计发动机时就不能使发动机工作在最节省能源的状态下；另一方面传统内燃机本身的工作过程和为实现工作过程的结构，导致平均机械损失压力大。

平均机械损失压力：发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。可以用来衡量机械损失的大小。即机械损失的组成：1）活塞与活塞环的摩擦损失：因曲柄连杆机构力的传递与分解，对气缸壁产生侧向力为F_c=Ftanβ，占摩擦损失的主要部分，约为：45-65%；2）轴承与气门机构的摩擦损失：包括所有主轴承、连杆轴承和凸轮轴轴承等的摩擦损失。轴承直径越大，转速越高，损失越大。15-30%；3）驱动附属机构的功率消耗：指为保证发动机工作所必不可少的部件总成，如冷却水泵总成（风冷发动机中则是冷却风扇）、机油泵、喷油泵、调速器等；占10-20%。

中国公开号为CN 1952363A，实用新型名称为双活塞液压发动机的申请文件公开的技术方案，虽然也采用了液压传动的原理，但也没有摆脱曲柄连杆机构，机构仍旧复杂，小活塞虽然消除了侧向分力，但是以大活塞上承受了更大的侧向分力为代价。此外，根据帕斯卡原理，油缸中的大活塞获得更大压力的同时是以牺牲大活塞的行程为代价，这样的传动方式并不能减少能量损耗，也不会凭空产生新的压力能，更不可能实现小排量大马力的增加功率或效率的功能。

中国公开号为CN 201723359U，实用新型名称为：液压发动机机构的实用新型申请公开的技术方案中，其能量转换过程是：燃料的化学能经柴油机转换为机械能，再经过液压泵转换为流体的压力能，再经液压发动机转换为机械能。中国公开号为CN 201554597U，实用新型名称为：一种液压发动机的申请文件中公开的技术方案，其采用了四个电机和四个油泵，能量转换过程是把电能通过电机转换为机械能，再通过油泵把机械能转换为液体的压力能，然后经液压活塞和曲轴连杆转换为机械。上述两种技术方案都经过多种复杂转换，必然会导致效率的降低。

中国公开号为CN101495730的申请文件公开的液压发动机虽然也解决了传统内燃机的部分问题，但它仍旧继承刚性连接的连杆，这要求对置气缸的同心度、椭圆度和锥度的误差必须很小，使得发动机主体部件的制造和加工都相当困难；发动机工作时对置两液压室因存在非常大的压力差，而刚性连杆又必须在两液压室间快速移动，使得液压室与连杆的滑动密封要求很高；此外它继承了传统内燃机的独立的进气门，这使得发动机机构复杂，且气门运动的机构和控制方法非常繁杂，可靠性和维护的方便性都大大降低。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种液压发动机，能够有效提高能量转化效率，节省燃料消耗，减少环境污染，且结构简单可靠，易于维护。

本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种液压发动机，包括气缸，所述气缸包括缸套和缸盖，所述缸盖上安装有燃料雾化喷嘴和排气门，其中，所述缸套内设有带回位弹簧的活塞，所述活塞上部为燃烧室，下部为液压室，所述液压室上设有一个进油单向阀和一个出油单向阀；所述进油单向阀和出油单向阀的安装方向相反并通过高压油管、回油管与液压马达相连形成闭合回路。

进一步地，所述气缸包括第一气缸和第二气缸，所述两个气缸上的进油单向阀和出油单向阀桥式相连形成闭合回路。

进一步地，所述进油单向阀和出油单向阀的高压出油口与三位四通换向阀的高压入口相连并与蓄能减震器连通，所述三位四通换向阀的两个工作出口分别连通液压马达的高压接口和低压接口输出动力，所述三位四通换向阀的低压油出口与进油单向阀的低压进油口相连。

进一步地，所述排气门和摇臂的一端相连，所述摇臂的另一端连接摆杆，所述摆杆的上下两端分别与摇臂、排气门构成两个转动副，所述摇臂固定在摇臂轴上。

进一步地，所述燃料气体喷嘴上设置有燃料接头、氧气接头和点火电磁线圈，所述燃料接头所在的管路中设有燃料阀针，所述氧气接头所在的管路中设有氧气阀芯，所述点火电磁线圈的点火初级绕组和燃料阀针、氧气阀芯相连，所述点火电磁线圈的点火次级绕组和火花塞相连。

进一步地，所述高压油管上还设有空调压缩机和压气机，所述压气机通过氮氧分离器和燃料雾化喷嘴相连。

本实用新型对比现有技术有如下的有益效果：本实用新型提供的液压发动机，采用一对单向阀形成油路循环使液压能定向传递到液压马达对外做功，并且随时可空载运行，取消了传统四冲程发动机的曲柄连杆结构、凸轮轴及正时传动机构，从而有效提高能量转化效率，节省燃料消耗，减少环境污染，且结构简单可靠，易于维护。

附图说明

图1为本实用新型单缸液压发动机结构示意图；

图2为本实用新型双缸液压发动机结构示意图；

图3为本实用新型液压发动机的进排气机构及氮氧分离装置结构示意图；

图4为本实用新型液压发动机的机械排气部件结构示意图；

图5为本实用新型液压发动机的压气机结构示意图；

图6为本实用新型液压发动机的液压空调压缩机结构示意图；

图7为本实用新型液压发动机的进气部件结构示意图；

图8为本实用新型液压发动机的进气部件中的燃料雾化喷嘴结构示意图。

图中：

1 气缸                2 缸套                 3 活塞

4 回位弹簧            5 排气门               6 蓄能减震器

7 三位四通换向阀      8 液压马达             9 摆杆

10 摇臂               11 摇臂轴              12 压气机活塞

13 压气机排气单向阀   14 压气机进气单向阀    15 压气机活塞回位弹簧

16 二位三通电磁阀     17 压缩机活塞          18 压缩机排气单向阀

19 压缩机进气单向阀   20 压缩机压力传感器    21 燃料箱

22 燃料泵             23 进气及燃料电磁阀    24 燃料雾化喷嘴

25 气门位置传感器     26 储气罐              27 回油管

28 点火电磁线圈       29 燃料接头            30 燃料阀针

31 氧气接头           32 氧气阀芯            33 点火初级绕组

34 点火次级绕组       35 高压油管            36 氮氧分离器

37 高压氧气管路       38 氧气加注接口        39 压缩空气管路

41、43 进油单向阀     42、44 出油单向阀      45 空调压缩机

46 排气机构           47 压气机              48 进气机构

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。

图1为本实用新型单缸液压发动机结构示意图。

请参照图1，本实用新型提供的液压发动机包括气缸1，所述气缸1包括缸套2和缸盖，所述缸盖上安装有燃料雾化喷嘴24和排气门5，其中，所述缸套2内设有带回位弹簧4的活塞3，所述活塞3上部为燃烧室，下部为液压室，所述液压室上设有一个进油单向阀42和一个出油单向阀41；所述进油单向阀42和出油单向阀41的安装方向相反并通过高压油管35、回油管27与液压马达8相连形成闭合回路。

本实用新型提供的液压发动机，气缸1的数目优选为两个，也可采用3缸以上的多缸结构。请参见图2，气缸1的数目为两个，包括第一气缸和第二气缸，第一气缸的液压室上设有一个进油单向阀42和一个出油单向阀41，第二气缸的液压室上设有一个进油单向阀44和一个出油单向阀43，该系统包括四个单向阀组合成桥式阀门组，活塞3和活塞回位弹簧4安装在缸套2内，缸套2里面的活塞上部为燃烧室，活塞下部为液压室，液压室与桥式阀门组中两两串联的单向阀的中间部分相连通，桥式阀门组的单向阀出油口与三位四通换向阀7的高压入口相连的同时还与蓄能减震器6连通，三位四通换向阀的两个工作出口分别连通液压马达8的高压接口和低压接口达到输出动力的目的，三位四通换向阀7的低压油出口与桥式阀门组单向阀的低压入口相连。

本实用新型提供的液压发动机，取消了传统四冲程发动机的曲柄连杆结构：包括曲轴、连杆、曲轴轴承、连杆轴承，以及维持曲柄连杆机构运行所必须的飞轮、起动机和机油泵等附件，此外还省去了传统内燃机的凸轮轴、凸轮轴轴承和正时传动机构，甚至是进气门和点火线圈等也集成到了喷油喷气嘴一起，结构简单可靠，易于维护。对双缸液压发动机，工作过程如下：燃料在气缸内燃烧所产生的高温高压燃气经过活塞直接推动液压油做功。开始，活塞3在活塞回位弹簧4和低压油的共同作用下向上移动，使排气门5关闭，活塞3达到上止点，出油单向阀42关闭，进气电磁阀和燃料电磁阀开启，燃料与相应比例的纯氧混合气进入缸套2；进气电磁阀和燃料电磁阀关闭，火花塞点火，活塞3改变运动方向而向下移动，这时高压液压油推开进油单向阀41进入三位四通换向阀7，同时一部分高压油进入蓄能减震器6，三位四通换向阀7通过改变出油方向改变液压马达8的转动方向，低压油流出液压马达8后再次经过三位四通换向阀7及管路流进进油单向阀43的进油口，经过另一缸的液压室推动活塞3向上并排气。做功活塞下移过程中，油压随着燃气压力的不断降低而降低，当油压低于蓄能减震器6内油压时释放油压与活塞3共同做功，活塞3继续下行，燃气余压和液流的惯性继续向液压马达8排油。当燃气压力降到接近大气压力时，出油单向阀44关闭，排气阀打开，活塞3在活塞回位弹簧4和低压油的共同作用下向上移动，做功后的低压余热烟气经过热交换器吸热回收能量后排向大气。重复上述进气、燃烧膨胀，排气等过程，周期循环，不断地将燃料的化学能转化为热能，经活塞3等效传递变为液体的压力能，通过液压马达进而转换为机械能。

本实用新型液压发动机的高压油管35上除了设置排气机构46外，还设有空调压缩机45和压气机47，高压油管35通过氮氧分离器36和进气机构48中的燃料雾化喷嘴24相连，氮氧分离装置的具体工作过程如下：液压发动机的高压油管35中的脉动液压油推动压气机活塞17，把外界的新鲜空气加压后通过压缩空气管路39进入氮氧分离器36，氮氧分离器36包括分子筛A和分子筛B，两个分子筛并联，一个工作，同时另一个可以进行再生处理，相互交替工作和再生，以保证设备连续运行。分离后的高压氧气经过高压氧气管路37进入储气罐26。氧气加注接口38可用于从外部加注氧气，以减少本实用新型液压发动机因氮氧分离而损失的功耗，而氮氧分离装置的配备又可以使本实用新型的液压发动机可在不具备外部加注氧气的条件下连续工作。

下面分别对排气机构46、压气机47、空调压缩机45、进气机构48和燃料雾化喷嘴24等主要部件一一展开描述。

图4为本实用新型液压发动机的机械排气部件结构示意图。

请参照图4，本实用新型提供的液压发动机的机械排气系统配置了排气门5、摆杆9、摇臂10、摇臂轴11。该机械排气系统中摇臂10固定在摇臂轴11上并可以转动，摇臂10的两端分别依次连接摆杆9与排气门5，摆杆9上下两端分别于摇臂10和排气门5构成两个转动副，使排气门5在关闭和打开的过程中不至于被卡死。除了上述机械式气门驱动形式，也可采用液压驱动、电磁驱动、气压或真空驱动，在此不再一一赘述。

液压发动机机械排气机构的工作过程如下:开始时活塞3在活塞回位弹簧4和低压油的共同作用下向上移动，使左侧排气门5关闭，而右侧气门在摇臂的作用下同步打开，活塞3达到上止点，出油单向阀41关闭，进气电磁阀和燃料电磁阀开启，燃料与相应比例的纯氧混合气进入缸套2；进气电磁阀和燃料电磁阀关闭，火花塞点火，活塞3改变运动方向，燃料在左侧气缸内燃烧所产生的高温高压燃气经过活塞直接推动液压油做功的同时左侧气门5也在高压燃气的作用下处于更加紧密的关闭状态，右侧排气门则开启达到最大状态。做功活塞下移过程中，油压随着燃气压力不断降低而降低，当燃气压力降到接近大气压力时，出油单向阀关闭，排气门5打开，右侧燃烧室重复上述左侧的过程，如此往复循环。

图5为本实用新型液压发动机的压气机结构示意图。

请参照图5，本实用新型提供的液压发动机的压气机配置了压气机活塞12、压气机排气单向阀13、压气机进气单向阀14、压气机活塞回位弹簧15。压气机进气单向阀14连接空气过滤器，压气机排气单向阀13经过储气罐26连接进气电磁阀23。

液压发动机压气机的工作特点是，当高压油管内压力为低压状态时，压气机活塞12在压气机活塞回位弹簧15的作用下向下运动，与此同时压气机进气单向阀14打开，压气机排气单向阀13关闭，新鲜空气流进压气机气缸；当高压油管内压力为高压状态时，压气机活塞12在高压油的推动下向上运动，此时压气机进气单向阀14关闭，压气机排气单向阀打开。高压气体从压气机气缸经过储气罐26流向进气电磁阀23。

图6为本实用新型液压发动机的液压空调压缩机结构示意图。

请参照图6,本实用新型提供了液压发动机配套的液压空调压缩机二位三通电磁阀16、液压空调压缩机活塞17、液压空调压缩机排气单向阀18、液压空调压缩机进气单向阀19、液压空调压缩机压力传感器20。

液压空调压缩机的工作过程是，当制冷系统需要压缩机启动时，二位三通电磁阀16通电打开，高压油从本实用新型液压发动机单向阀1出口相连的高压油管35进入液压空调压缩机活塞17的下部推动活塞向上移动，液压空调压缩机进气单向阀19关闭，被压缩的冷媒推动液压空调压缩机排气单向阀18打开并压出高压冷媒，当液压空调压缩机活塞17运动到顶部，液压空调压缩机压力传感器20的压力比高压管路压力高时，二位三通电磁阀16断电关闭高压借口P，同时接通B，活塞在低压冷媒的作用下，液压空调压缩机进气单向阀19打开，低压冷媒进入液压空调压缩机活塞17的上方并推动活塞下移，当液压空调压缩机活塞17运动到底部，液压空调压缩机压力传感器20的压力和低压管路相等时，二位三通电磁阀16再次通电打开，如此不断循环。直到制冷系统不需要压缩机工作时，二位三通电磁阀16长断电而停止工作。因本实用新型中的液压空调压缩机用极少的零部件便替代了传统发动机空调系统中必不可少的曲轴及与之相连的曲轴皮带盘、空调皮带、空调皮带张紧轮、空调压缩机离合器、压缩机离合器轴承、离合器吸拉线圈、和复杂得多的传统空调压缩机等构件

图7为本实用新型液压发动机的进气部件结构示意图。

请参照图7,本实用新型提供的液压发动机进气系统包括燃料箱21、燃料泵22、进气及燃料电磁阀23、燃料雾化喷嘴24、气门位置传感器25、储气罐26。

液压发动机进气系统的工作过程如下：当活塞3往上运动到与打开的排气门5接触时，把本气缸的排气门5推向关闭的同时把另一缸的气门打开，另一缸的霍尔传感器从接通状态转为断开状态；活塞3继续上行，直到排气门5完全关闭，另一缸的排气门完全打开，活塞暂时停止运动，本气缸的霍尔传感器的从断开状态转为接通状态，进气及燃料电磁阀23通电，燃料雾化喷嘴24按比例喷出燃料和空气形成可完全燃烧的混合气，进气及燃料电磁阀23断电停止喷射的同时火花塞点火，混合气爆燃推动活塞向下通过液压对外做功，此时另一缸的活塞因排气门已完全打开，活塞在回位弹簧和回油压力的推动下上移，重复上述的过程往复循环。

图8为本实用新型液压发动机的进气部件中的燃料雾化喷嘴结构示意图。

请参照图8,本实用新型提供的液压发动机的燃料雾化喷嘴24上集成有燃料接头29、氧气接头31和点火电磁线圈28，燃料接头29所在的管路中设有燃料阀针30，氧气接头31所在的管路中设有氧气阀芯32，所述点火电磁线圈28的点火初级绕组33和燃料阀针30、氧气阀芯32相连并提供开闭阀信号，所述点火电磁线圈28的点火次级绕组34和火花塞相连并提供脉冲高压电点火信号，燃料接头29和回油管27相连。液压发动机燃料雾化喷嘴的工作过程如下：本气缸的霍尔传感器的从断开状态转为接通状态，电磁喷油点火电磁线圈28的电磁喷油点火初级绕组33通电，燃料阀针30和氧气阀芯32在电磁力的作用下克服回位弹簧和流体压力打开，燃料和氧气同时按比例喷入燃烧室，直到电磁喷油点火初级绕组33在控制单元的控制下断电，燃料阀针30和氧气阀芯32回位关闭，与此同时电磁喷油点火次级绕组34产生脉冲高压电给火花塞点火，混合气爆燃推动活塞向下通过液压对外做功。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种液压发动机，包括气缸（1），所述气缸（1）包括缸套（2）和缸盖，所述缸盖上安装有燃料雾化喷嘴（24）和排气门（5），其特征在于，所述缸套（2）内设有带回位弹簧（4）的活塞（3），所述活塞（3）上部为燃烧室，下部为液压室，所述液压室上设有一个进油单向阀（42、44）和一个出油单向阀（41、43）；所述进油单向阀（42、44）和出油单向阀（41、43）的安装方向相反并通过高压油管（35）、回油管（27）与液压马达（8）相连形成闭合回路。

2.如权利要求1所述的液压发动机，其特征在于，所述气缸（1）包括第一气缸和第二气缸，所述两个气缸上的进油单向阀（42、44）和出油单向阀（41、43）桥式相连形成闭合回路。

3.如权利要求1所述的液压发动机，其特征在于，所述进油单向阀（42、44）和出油单向阀（41、43）的高压出油口与三位四通换向阀（7）的高压入口相连并与蓄能减震器（6）连通，所述三位四通换向阀（7）的两个工作出口分别连通液压马达（8）的高压接口和低压接口输出动力，所述三位四通换向阀（7）的低压油出口与进油单向阀（42、44）进油口相连。

4.如权利要求1所述的液压发动机，其特征在于，所述排气门（5）和摇臂（10）的一端相连，所述摇臂（10）的另一端连接摆杆（9），所述摆杆（9）的上下两端分别与摇臂（10）、排气门（5）构成两个转动副，所述摇臂（10）固定在摇臂轴（11）上。

5.如权利要求1所述的液压发动机，其特征在于，所述燃料雾化喷嘴（24）上设置有燃料接头（29）、氧气接头（31）和点火电磁线圈（28），所述燃料接头（29）所在的管路中设有燃料阀针（30），所述氧气接头（31）所在的管路中设有氧气阀芯（32），所述点火电磁线圈（28）的点火初级绕组（33）和燃料阀针（30）、氧气阀芯（32）相连，所述点火电磁线圈（28）的点火次级绕组（34）和火花塞相连。

6.如权利要求1～5任一项所述的液压发动机，其特征在于，所述高压油管（35）上还连接有空调压缩机（45）和压气机（47），所述压气机（47）通过氮氧分离器（36）和燃料雾化喷嘴（24）相连。

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