CN203879622U - 棘轮自由活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种棘轮自由活塞发动机，包括支架、第一活塞、第二活塞、活塞杆以及进气管和喷油嘴，所述活塞杆上设有呈上下对称的两根齿条、分别与两根齿条啮合的两套被动齿轮、与被动齿轮借助于轴承连接的传动轴、设于传动轴上的用于连接传动轴和被动齿轮的离合机构以及离合机构驱动装置，所述离合机构设置两套，分别与设置在活塞杆上方和下方的两套被动齿轮对应，其优点在于：通过在活塞杆上设置齿条，齿条跟随活塞杆往复直线运动，与齿条啮合的两套被动齿轮旋转运动，通过离合机构间歇性将齿条的往复运动通过传动轴转化为输出齿轮的旋转运动，两套输出齿轮均与换向齿轮啮合，从而实现换向齿轮的连续转动，输出转矩，实现机械功的输出。

Description

棘轮自由活塞发动机

技术领域

本实用新型涉及发动机技术领域，尤其涉及一种可以向外输出机械功的棘轮自由活塞发动机。

背景技术

现有的自由活塞发动机对外不能直接输出机械功，一种形式是仅提供一定压力的压缩空气，通过燃气轮机输出功率，第二种形式是其与直线电机集成一体，发出电能，第三种形式是与液压泵集成一体，通过液压马达输出转矩，理论上还有许多齿轮齿条发动机，但由于所使用的棘轮内部弹簧力度太小，致使棘爪的加速度太小，反应速度慢，不能应对强度冲击，棘爪也不能同步应对冲击，所以目前使用的自由活塞发动机对于机械功的输出仍然是一个需要本领域技术人员深入研究的课题。

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棘轮自由活塞发动机，通过使用正向棘轮和反向棘轮以及拨叉相互配合，使普通的棘轮自由活塞发动机通过传动轴输出机械功，扩大使用范围。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种棘轮自由活塞发动机，包括支架、第一活塞缸、第二活塞缸、活塞杆以及进气管和喷油嘴，所述活塞杆上设有呈上下对称的两根齿条、分别与两根齿条啮合的两套被动齿轮、与被动齿轮借助于轴承连接的传动轴、设于传动轴上的用于连接传动轴和被动齿轮的离合机构以及离合机构驱动装置，所述离合机构设置两套，分别与设置在活塞杆上方和下方的两套被动齿轮对应。

所述离合机构包括固定设于被动齿轮内侧面上的正向棘轮、和设于传动轴上的轴齿轮滑动配合的反向棘轮、设于正向棘轮和反向棘轮之间的反压弹簧，还包括与传动轴滑动配合的弹簧座，所述弹簧座与反向棘轮之间设置正压弹簧，所述正压弹簧一端与弹簧座固定连接，所述拨叉与弹簧座铰接，所述拨叉尾部设置拨叉杆，拨叉杆中部与所述支架铰接，所述拨叉杆尾部与离合机构驱动装置动力输出端铰接。

所述与两套被动齿轮配套设置的传动轴尾部均设有输出齿轮，两套输出齿轮之间安装有换向齿轮，换向齿轮与两套输出齿轮啮合。

所述正向棘轮和反向棘轮的齿均相对设于本体端面上、且方向相反。

所述离合机构驱动装置为气缸。

所述两套活塞缸端部均设有闷气阀。

所述两套活塞缸均配套设有换气阀，所述换气阀包括阀体、阀芯以及回位弹簧，所述阀体一侧腔体与活塞缸的燃烧室连通，所述阀芯另外一端设有能够封闭活塞缸排气阀的滑杆。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：通过在活塞杆上设置齿条，设于齿条上方和下方的两套被动齿轮与齿条啮合，被动齿轮通过离合机构与传动轴连接，齿条跟随活塞杆往复直线运动，与齿条啮合的两套被动齿轮旋转运动，通过离合机构间歇性将齿条的往复运动通过传动轴转化为输出齿轮的旋转运动，两套输出齿轮均与换向齿轮啮合，从而实现换向齿轮的连续转动，输出转矩，实现机械功的输出。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是本实用新型另一方向结构示意图；

图3是离合机构和离合驱动机构安装结构示意图；

图4是离合机构结构示意图：

在附图中：1、喷油嘴；2、闷气阀；3、第一活塞缸；4、活塞杆；5、齿条；6、被动齿轮；7、离合机构；7-1、正向棘轮；7-2、反向棘轮；7-3、正压弹簧；7-4、拨叉；7-5、弹簧座；7-6、反压弹簧；7-7、轴齿轮；8、第二活塞缸；9、输出齿轮；10、换向齿轮；11、支架；12、液压缸；13、进气管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

为了扩大自由活塞发动机使用范围，能够将直线运动稳定地转化为旋转用动，从而输出机械功，本实用新型提供一种如图1-2所示的棘轮自由活塞发动机，包括支架11、第一活塞缸3、第二活塞缸8、活塞杆4以及进气管13和喷油嘴1，其关键改进在于：所述活塞杆4上设有呈上下对称的两根齿条5、分别与两根齿条5啮合的两套被动齿轮6、与被动齿轮6借助于轴承连接的传动轴、设于传动轴上的用于连接传动轴和被动齿轮6的离合机构（参见附图3-4）7以及离合机构7驱动装置，所述离合机构7设置两套，分别与设置在活塞杆4上方和下方的两套被动齿轮6对应，所述离合机构7包括固定设于被动齿轮6内侧面上的正向棘轮7-1、和设于传动轴上的轴齿轮7-7滑动配合的反向棘轮7-2、设于正向棘轮7-1和反向棘轮7-2之间的反压弹簧7-6，还包括与传动轴滑动配合的弹簧座7-5，所述弹簧座7-5与反向棘轮7-2之间设置正压弹簧7-3，所述正压弹簧7-3一端与弹簧座7-5固定连接，所述拨叉7-4与弹簧座7-5铰接，所述拨叉7-4尾部设置拨叉7-4杆，拨叉7-4杆中部与所述支架11铰接，所述拨叉7-4杆尾部与离合机构7驱动装置动力输出端铰接，所述与两套被动齿轮6配套设置的传动轴尾部均设有输出齿轮9，两套输出齿轮9之间安装有换向齿轮10，换向齿轮10与两套输出齿轮9啮合，所述正向棘轮7-1和反向棘轮7-2的齿相对设于端面上、且方向相反，所述离合机构7驱动装置为液压缸12，所述两套活塞缸端部均设有闷气阀2，所述两套活塞缸均配套设有换气阀，所述换气阀包括阀体、阀芯以及回位弹簧，所述阀体一侧腔体与活塞缸的燃烧室连通，所述阀芯另外一端设有能够封闭活塞缸排气阀的滑杆。

在具体使用过程中，为了消除活塞缸内的燃烧造成活塞冲击，在两个活塞缸内或活塞杆上安装硬质弹簧，在压缩空气时硬质弹簧不变形，只有在速燃至最高压力时才收缩，将储存的能量在压力低时释放出来，实现柔性输出，大幅降低对棘轮机构的冲击，在活塞缸缸盖上设置一个闷气阀，该闷气阀受电磁线圈的控制，其作用是防止活塞缸内废气或未燃的混合气不能排出，活塞不能达到下止点，如负载过重，油量过小等原因，控制模块控制电磁线圈打开闷气阀，安装在进气管上的进气阀因为活塞缸内气压下降，自动打开，储气瓶高压气体迅速进入活塞缸，将缸内废气吹走，更换新空气，便于正常运转。

另外，在启动过程中，有控制装置根据安装在齿条上的位置传感器判断活塞是否位于上止点，选择封闭活塞缸、且活塞离上止点较近的活塞缸作为首次点火缸，在正常运转过程中，活塞分为三个状态，一种是活塞滑向上止点，第二种状态是两个活塞缸均处于封闭，第三中状态是一个活塞缸封闭，另外一个活塞缸的排气阀口打开，对于第一种情况，控制装置先控制封闭活塞缸的进气开关打开，同时关闭对置活塞缸的进气阀，控制罗茨鼓风机将高压气瓶内的高压气压吹入封闭活塞缸，推动活塞到一定位置后，再将对置活塞缸的进气开关打开，为运转提供条件，同时因进气压力降低，封闭活塞缸的单向进气阀关闭，同时控制装置控制喷油嘴和点火线圈点火启动。

对于第二种情况和第三种情况，也是离合机构在分离状态下，控制装置先打开两个活塞缸的进气开关，延迟一定时间后检测活塞离上止点较近的活塞缸的进气阀是否关闭，如果处于关闭状态，直接喷入少量的燃油或者燃气，同时打火启动，仅给另外一个活塞缸提供高压气体，使它有合适的压缩比进入正常运转，更适合断缸后再启动。

本实用新型所披露的棘轮自由活塞发动机在正常运转时的喷油和打火时间是以离合机构是否已经啮合为标准，先啮合后打火燃烧，防止处于啮合状态且深度不够的情况下突然燃烧造成离合机构损毁，缩短使用寿命，而且本发动机可以大小活塞缸混装，相当于变径传动，断缸和启动均很方便，质量轻，功率大、效率高、结构简单，使用范围广由于活塞在上止点时，有较高的加速的，如果不能做到在活塞返程时，准确啮合，可通过对排气口的控制，控制排气速度来降低活塞的加速度，为准确啮合创造条件。

在实际操作过程中，液压缸12也可以使用电磁线圈替代，只要能够保证在控制模块控制下通过拨叉拨动弹簧座往复运动即可，第一活塞缸和第二活塞缸是两个对置的结构，启动时，先在第一活塞缸中喷入少量的燃油或者燃气，并点火，在第一次点火的时候，离合装置保持分离，为第二活塞缸提供一定压力的压缩空气，待正常启动以后，控制模块控制液压缸驱动拨叉拨动弹簧座运动，正向棘轮和反向棘轮啮合，实现机械功的输出，为了实现准确控制，还设有齿条位置传感器与控制模块信号端连接，当检测到第二活塞缸的活塞到达上止点时，电脑模块通过控制液压缸对应液压阀或者电磁铁使拨叉拨动弹簧座运动，弹簧座的运动压缩正压弹簧，使位于活塞杆下方的正向棘轮和反向棘轮啮合，同时与反向棘轮配套设置位置传感器，当正向棘轮和反向棘轮啮合后液压阀或者电磁铁断电，控制模块控制喷油嘴给第二活塞缸喷油、点火、燃烧，将第一活塞缸的活塞推到上止点，然后控制模块控制第一活塞缸重复第二活塞缸的动作，如此循环，由于齿条上部和下部均设有被动齿轮，而齿条在活塞杆的作用下往复运动，因此，为了保证输出转矩方向一致，上部离合机构和下部离合机构间歇分离，通过换向轮可以输出连续转矩。 

Claims (7)

1.一种棘轮自由活塞发动机，包括支架（11）、第一活塞缸、第二活塞缸、活塞杆（4）以及进气管（13）和喷油嘴（1），其特征在于：所述活塞杆（4）上设有呈上下对称的两根齿条（5）、分别与两根齿条（5）啮合的两套被动齿轮（6）、与被动齿轮（6）借助于轴承连接的传动轴、设于传动轴上的用于连接传动轴和被动齿轮（6）的离合机构（7）以及离合机构（7）驱动装置，所述离合机构（7）设置两套，分别与设置在活塞杆（4）上方和下方的两套被动齿轮（6）对应。

2.根据权利要求1所述的棘轮自由活塞发动机，其特征在于：所述离合机构（7）包括固定设于被动齿轮（6）内侧面上的正向棘轮（7-1）、和设于传动轴上的轴齿轮（7-7）滑动配合的反向棘轮（7-2）、设于正向棘轮（7-1）和反向棘轮（7-2）之间的反压弹簧（7-6），还包括与传动轴滑动配合的弹簧座（7-5），所述弹簧座（7-5）与反向棘轮（7-2）之间设置正压弹簧（7-3），所述正压弹簧（7-3）一端与弹簧座（7-5）固定连接，拨叉（7-4）与弹簧座（7-5）铰接，拨叉（7-4）尾部设置拨叉杆，拨叉杆中部与所述支架（11）铰接，拨叉杆尾部与离合机构（7）驱动装置动力输出端铰接。

3.根据权利要求2所述的棘轮自由活塞发动机，其特征在于：所述与两套被动齿轮（6）配套设置的传动轴尾部均设有输出齿轮（9），两套输出齿轮（9）之间安装有换向齿轮（10），换向齿轮（10）与两套输出齿轮（9）啮合。

4.根据权利要求3所述的棘轮自由活塞发动机，其特征在于：所述正向棘轮（7-1）和反向棘轮（7-2）的齿均相对设于本体端面上、且方向相反。

5.根据权利要求4所述的棘轮自由活塞发动机，其特征在于：所述离合机构（7）驱动装置为气缸（12）。

6.根据权利要求5所述的棘轮自由活塞发动机，其特征在于：所述两套活塞缸端部均设有闷气阀（2）。

7.根据权利要求6所述的棘轮自由活塞发动机，其特征在于：所述两套活塞缸均配套设有换气阀，所述换气阀包括阀体、阀芯以及回位弹簧，所述阀体一侧腔体与活塞缸的燃烧室连通，所述阀芯另外一端设有能够封闭活塞缸排气阀的滑杆。