CN211975158U - 二维活塞发动机 - Google Patents

Abstract

二维活塞发动机，以嵌套结构的二维平面活塞机构取代一维直线活塞机构，使变容组合以较少的组件数量获得较多的作用数，在提高功重比的同时还可以减轻脉动，同时，针对二维活塞的运动特点采用结构简单的偏心轮机构来传动，使结构更为紧凑而进一步提高功重比，在此基础上，协同应来多种技术手段来提高综合性能——以平衡分布复合结构来消除震动和减轻脉动，其中的连环式平衡分布复合结构还可以大幅降低配流装置的重复性，提高资源利用率；部分单元结构用作压气机来提高压燃比，同时也用做启动机还可以省去专门的启动设备；在变容组合的活动配合面设置磨损补偿倾斜角，提高设备使用寿命。

Description

二维活塞发动机

技术领域

本实用新型涉及一种活塞变容泵。

背景技术

活塞发动机通过燃料在气缸内部燃爆膨胀，把热能转换活塞的机械能，在密封率、热效率、排气性能、燃料经济性等诸多方面优势明显，虽然面临着奎西、转缸、转子等结构更为巧妙的发动机类型的挑战，但在汽车工业百年发展历程中长期作为主流技术，现在依然展现着无穷的生命力，足见活塞机构技术的成熟度和存在的合理性。活塞发动机优点突出，缺点也很突出——需要曲柄连杆机构把活塞的直线往复运动转换成圆周运动，传动路径长，结构不紧凑，传动机构占整体结构重量和体积的比例太大，活塞气缸组合一般是单作用，在多缸结构中机构重复性严重，体积和重量较大。在历史进入全面电动化准备的今天，电动机大范围取代内燃机已经排上日程，在电动机真正具备担当能力之前，内燃机驱动机构和混合动力结构将在今后较长一段时间里继续发挥作用，但在轻量化、小型化和排放减量方面有着迫切的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种活塞发动机，以嵌套结构的二维平面活塞机构取代一维直线活塞机构，使变容组合以较少的组件数量获得较多的作用数，在提高功重比的同时还可以减轻脉动，同时，针对二维活塞的运动特点采用结构简单的偏心轮机构来传动，使结构更为紧凑而进一步提高功重比，在此基础上，协同应来多种技术手段来提高综合性能——以平衡分布复合结构来消除震动和减轻脉动，其中的连环式平衡分布复合结构还可以大幅降低配流装置的重复性，提高资源利用率；部分单元结构用作压气机来提高压燃比，同时也用做启动机还可以省去专门的启动设备；在变容组合的活动配合面设置磨损补偿倾斜角，提高设备使用寿命。

本实用新型的原动装置包括二维活塞机构，带有缸筒、外塞和内塞；缸筒固定安装，外塞以缸筒为轨道往复运动；外塞同时也是内塞的轨道，内塞相对于外塞往复运动，运动方向与外塞相对于缸筒的运动方向不同；内塞和外塞的两端都有变容空间，变容空间容积的变化可以使内塞和外塞往复运动；输出装置包括偏心轮机构，内塞和外塞的往复运动可以驱动偏心轮机构输出转矩。

本实用新型的同一个二维活塞机构单元的所有变容空间顺着一个周向按90度的转角差轮换进入做功行程，或者，同一个二维活塞机构单元的所有变容空间顺着一个周向交替按90度和180度的转角差轮换进入做功行程。

本实用新型有两个或两个以上的二维活塞机构单元，都作为动力装置；或者，有两个或两个以上的二维活塞机构单元，有的作为动力装置而有的作为启动装置或辅助泵；或者，有两个或两个以上的二维活塞机构单元，同一个二维活塞机构单元有前述多种作用，可以来回切换。

本实用新型有多个二维活塞机构单元连环分布，它们的缸筒简化成一个公共的环形结构；相邻的结构单元动作对称，有共用的配流装置，还有公共的中心配流装置或外周配流装置。

本实用新型的输出装置同时还具有变速和变矩的作用。

本实用新型的配流装置包括在变容空间内运动的内配流盘，有同步装置使内配流盘配合内塞和外塞的行程来周期性开启或关闭入口或出口，可以利用内部压力增加密封效果。

本实用新型的二维活塞机构的活动组件之间设置有滚子来降低摩擦阻力，或者设置有磨损补偿倾斜角，相互可以通过在垂直于运动平面的方向相对移动来进行磨损补偿。

本实用新型的供排装置的喷油嘴设置在变容空间的入口和出口之间的位置，或者，变容空间带有流线型内壁，可以引导气流从入口流向出口的途中经过喷油嘴，确保点火时喷油嘴附近富集新鲜空气并与喷出的燃油充分混合。

本实用新型的运动组件采用轻型材料制作或具有加强筋减重结构，或者，设置有减重孔或配重块来减轻偏重程度，可以减轻偏心运动和往复运动惯性的不良影响。

本实用新型带有智能控制装置。

附图说明

图1是单体结构轴向视图；

图2是单体结构径向视图；

图3是连环平衡分布复合结构轴向视图；

图4是具有变速和变矩的作用的输出装置；

图5是内配流装置；

图6是流线型变容空间。

具体实施方式

本实用新型包括原动装置、供排装置、配流装置、结构件、输出装置和控制装置，原动装置包括二维活塞机构，带有缸筒、外塞和内塞；缸筒固定安装，外塞以缸筒为轨道往复运动；外塞同时也是内塞的轨道，内塞相对于外塞往复运动，运动方向与外塞相对于缸筒的运动方向不同；内塞和外塞的两端都有变容空间，变容空间容积的变化可以使内塞和外塞往复运动；输出装置包括偏心轮机构，内塞和外塞的往复运动可以驱动偏心轮机构输出转矩。参照图1和图2，缸筒1的两端与底板12和端板13固定连接。外塞2可以在缸筒1、底板12和端板13构成的空间内沿X轴做直线往复运动，前、后端都有变容空间，形成双作用活塞机构。内塞3可以在外塞2、缸筒1、底板12和端板13构成的空间内沿Y轴做直线往复运动，前、后端都有变容空间，也构成双作用活塞机构。外塞2既是活塞又是内塞3的轨道，内塞3和外塞2在二维平面上有不同的运动方向。变容空间容积的变化可以使内塞3相对于外塞2往复运动，使外塞2内相对于缸筒1往复运动。输出装置包括偏心轮11与中轴10组成的偏心轮机构，内塞3通过轴套5或滚子轴承与偏心轮11转动连接，内塞3和外塞2的往复运动可以驱动偏心轮11带动中轴10输出转矩。内塞3和外塞2工作的变容空间内的底板12上，都设置有入口和出口以及阀门9，有同步机构使阀门9配合内塞3和外塞2的工作行程开启或关闭入口或出口。供排系统流体向变容空间输送燃料和空气在变容空间燃烧膨胀使外塞2相对于缸筒1和内塞3相对于外塞2运动来驱动偏心轮带动中轴10输出转矩，或者，供排系统带有上一级动力装置，直接向变容空间输入压力流体来驱动外塞2和内塞3往复运动，或者，多种做功方式混合使用。在一级套叠的二维活塞机构中，最大作用数是单个双向活塞机构的两倍，而组件数量并不需要按相同比例增加，只要空间允许，二维活塞机构也可以有更多的套叠级数，在内塞3里边再增加内塞。底板12和端板13作为结构件，同时也参与构成变容空间，使整体结构更为简洁，为了在多单元复合结构中便于模块化组装，或者出于某种功能的需要，也可以采用专门的端板。在需要往复运动速度不相同的应用中，外塞2相对于缸筒1和内塞3相对于外塞2的运动轨迹也可以是曲线。

本实用新型的同一个二维活塞机构单元的所有变容空间顺着一个周向按90度的转角差轮换进入做功行程，或者，同一个二维活塞机构单元的所有变容空间顺着一个周向交替按90度和180度的转角差轮换进入做功行程。图1的实施例在工作时，外塞2相对于缸筒1和内塞3相对于外塞2的运动方向相互垂直，左、上、右、下四个变容空间在不同的相位执行各自的工作循环，顺着一个周向按90度的转角差轮换进入做功行程，使得中轴10每转一圈所有变容空间平均进入做功行程4次。为了减少做功频率，也可以采用交叉做功的方式，即四个变容空间顺着一个周向交替按90度和180度的转角差轮换进入做功行程，前、后两个进入做功行程的位置的角度差为90度和180度交替，以顺时针方向为例，则顺序为左、上、下、左、右、下、上、右……其结果是中轴10每转一圈所有变容空间平均进入做功行程约2.75次。

本实用新型有两个或两个以上的二维活塞机构单元，都作为动力装置；或者，有两个或两个以上的二维活塞机构单元，有的作为动力装置而有的作为启动装置或辅助泵；或者，有两个或两个以上的二维活塞机构单元，同一个二维活塞机构单元有前述多种作用，可以来回切换。有两个或两个以上图1所示的二维活塞机构单元共轴或平行轴设置，都作为动力装置从而得到更大的功率，还可以通过平衡设置起到平衡作用。不同的二维活塞机构单元也可以有不同的作用，有的作为内燃动力装置，是产生动力的主要部分，而有的作为流体压力式动力装置或辅助泵；流体压力式动力装置在高压流体驱动下产生转矩，可以用来启动设备，待到内燃动力装置可以自主工作后把流体压力式动力装置关闭；辅助泵可以用来给空气增压，还可以给润滑装置、控制装置等其它功能部分供应流体压力。为了充分利用资源，同一个二维活塞机构单元还可以具有前述多种作用，不同功能可以来回切换，例如，作为启动装置的流体压力式动力装置，待到内燃动力装置自主工作后可以切换到内燃动力装置模式。

本实用新型有多个二维活塞机构单元连环分布，它们的缸筒简化成一个公共的环形结构，相邻的结构单元动作对称，有共用的配流装置，还有公共的中心配流装置或外周配流装置。如图3所示，内环40和外环41固定在底板30上，形成一个环形的通道作为公共的缸筒；有多组包括外塞33和内塞34在内的单元结构在通道里连环平衡分布，各自有独立的偏心轮36来驱动；相邻单元动态对称分布——用直线连接两个偏心轮36的中轴37的中心，该连线中点的垂线经过中轴37的中心，相邻单元的外塞33、内塞34分别以该垂线为对称轴来设置，并且在运动中保持对称；相邻单元之间在环向有共用的配流装置，包括通孔32和相对应的阀门或配流盘；在另一个运动方向上的作用也有公共的中心配流装置和外周配流装置，共享范围不限于相邻单元，工作相位相同的作用都可以共享。

本实用新型的输出装置同时还具有变速和变矩的作用。图4是与图3实施例配套的输出装置，各单元的中轴37上固定有行星齿轮46，齿环45与行星齿轮46啮合，各单元的动力经齿环45汇总后输出，齿环45作为输出元件的同时还具有减速和增加扭矩的作用。为了获得更丰富的输出结果，还可以在复合结构的中轴38上设置太阳轮，在太阳轮与齿环45之间设置不定轴行星轮，分别以齿环45、太阳轮和不定轴行星轮为输出元件可以有不同的输出结果。

本实用新型的配流装置包括在变容空间内运动的内配流盘，有同步装置使内配流盘配合内塞和外塞的行程来周期性进气或排气，可以利用内部压力增加密封效果。参照图5的实施例，缸筒24、外塞25和两端的端板20构成的变容空间，上、下端板20分别设置有入口和出口与转轴23转动连接，内配流盘22与转轴23在径向锁定而在轴向可以相对滑动，内配流盘22的外圆周面有波浪形的凹槽与固定在端板20上的导杆21配合，齿轮28和齿轮29使转轴23和偏心轮机构的中轴27保持恒定转速比，转轴23转动的时候，导杆21可以引导内配流盘22在轴向运动，配合外塞25的工作行程开启或关闭入口或出口。内配流盘22也可以采用轴向位置固定的结构，盘上设置有缺口，可以在转动中周期性露出或挡住入口或出口。内部配流方式可以不需要专门的压紧装置，充分利用内部流体的向外压力来改善配合面的密封效果，结构比外配流盘更为简化，配合面磨损还可以自动补偿。

本实用新型的二维活塞机构的活动组件之间设置有滚子来降低摩擦阻力，或者设置有磨损补偿倾斜角，相互可以通过在垂直于运动平面的方向相对移动来进行磨损补偿。参照图1和图2，外塞2与内塞3之间设置有滚子4来降低摩擦阻力，外塞2与缸筒1之间，内塞3和外塞2的上、下端面与端板13和底板12之间，也可以设置有这样的滚子结构来降低摩擦阻力。参照图2，外塞2与内塞3之间的活动配合面为平面，与中轴10之间不平行，交角即为磨损补偿倾斜角，相互可以通过在垂直于运动平面的方向相对移动来进行磨损补偿，外塞2与缸筒1之间也可以采用这样的配合方式。

本实用新型的供排装置的喷油嘴设置在变容空间内入口和出口之间的位置，或者，变容空间带有流线型内壁，可以引导气流从入口流向出口的途中经过喷油嘴，确保点火时喷油嘴附近富集新鲜空气并与喷出的燃油充分混合。图6所示的实施例采用缸内直喷的喷油方式，入口19和出口15分别设置在变容空间两端的端板上，喷油嘴18设置在入口19和出口15之间的位置，外塞16的外表面为外凸流线型，可以引导气流从入口流向出口的途中经过喷油嘴，确保点火时喷油嘴附近富集新鲜空气并与喷出的燃油充分混合，由此可以减轻排气不充分对燃烧效率的影响。

本实用新型的运动组件采用轻型材料制作或具有加强筋减重结构，或者，设置有减重孔或配重块来减轻偏重程度，可以减轻偏心运动和往复运动惯性的不良影响。参照图1，外塞2、内塞3和偏心轮11等运动组件采用高强度轻型复合材料制作或具有加强筋减重结构，或者，在偏心轮11设置有不对称的减重孔或配重块来减轻偏重程度，可以减轻偏心运动和往复运动惯性造成的震动、受力不平衡、耗能大等不良影响。

本实用新型带有智能控制系统，包括传感器、电控单元或执行元件在内，可以实现对电机转速、流体压力、输出流量、内部温度、噪音、磨损量、泄露量或运行时间等指标进行监测或进行智能控制。

Claims (10)

1.二维活塞发动机，包括原动装置、供排装置、配流装置、结构件、输出装置和控制装置，其特征在于：原动装置包括二维活塞机构，带有缸筒、外塞和内塞；缸筒固定安装，外塞以缸筒为轨道往复运动；外塞同时也是内塞的轨道，内塞相对于外塞往复运动，运动方向与外塞相对于缸筒的运动方向不同；内塞和外塞的两端都有变容空间，变容空间容积的变化可以使内塞和外塞往复运动；输出装置包括偏心轮机构，内塞和外塞的往复运动可以驱动偏心轮机构输出转矩。

2.根据权利要求1所述的二维活塞发动机，其特征在于：同一个二维活塞机构单元的所有变容空间顺着一个周向按90度的转角差轮换进入做功行程，或者，同一个二维活塞机构单元的所有变容空间顺着一个周向交替按90度和180度的转角差轮换进入做功行程。

3.根据权利要求1或2所述的二维活塞发动机，其特征在于：有两个或两个以上的二维活塞机构单元，都作为动力装置；或者，有两个或两个以上的二维活塞机构单元，有的作为动力装置而有的作为启动装置或辅助泵；或者，有两个或两个以上的二维活塞机构单元，同一个二维活塞机构单元有前述多种作用，可以来回切换。

4.根据权利要求3所述的二维活塞发动机，其特征在于：有多个二维活塞机构单元连环分布，它们的缸筒简化成一个公共的环形结构，相邻的结构单元动作对称，有共用的配流装置，还有公共的中心配流装置或外周配流装置。

5.根据权利要求4所述的二维活塞发动机，其特征在于：输出装置同时还具有变速和变矩的作用。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的二维活塞发动机，其特征在于：配流装置包括在变容空间内运动的内配流盘，有同步装置使内配流盘配合内塞和外塞的行程来周期性进气或排气，可以利用内部压力增加密封效果。

7.根据权利要求6所述的二维活塞发动机，其特征在于：二维活塞机构的活动组件之间设置有滚子来降低摩擦阻力，或者设置有磨损补偿倾斜角，相互可以通过在垂直于运动平面的方向相对移动来进行磨损补偿。

8.根据权利要求1、2、4、5或7所述的二维活塞发动机，其特征在于：供排装置的喷油嘴设置在变容空间的入口和出口之间的位置，或者，变容空间带有流线型内壁，可以引导气流从入口流向出口的途中经过喷油嘴，确保点火时喷油嘴附近富集新鲜空气并与喷出的燃油充分混合。

9.根据权利要求8所述的二维活塞发动机，其特征在于：运动组件采用轻型材料制作或具有加强筋减重结构，或者，设置有减重孔或配重块来减轻偏重程度，可以减轻偏心运动和往复运动惯性的不良影响。

10.根据权利要求1、2、4、5、7或9所述的二维活塞发动机，其特征在于：带有智能控制装置。

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