CN85101085A - 活塞式无曲轴液力传动内燃机 - Google Patents

Abstract

一种用作动力源的内燃机，其特点在于，废 弃传统内燃机的曲轴机构，采用液力传动机构， 它包括一个将燃料燃烧能量转变为高压液能量的 内燃液压泵，和一个将高压液作为动力源进行驱 动从而将其转变为机械动力输出的液压马达，以 及相应的起动装置和附属装置及部件。本内燃机 能减少和克服传统内燃机存在的燃烧不完全引起 空气污染；运转时有噪音和振动；以及制造成本 高、体积和重量大；为冷却损失热效能等方面的 缺点。这种内燃机可用于轮船、汽车、飞机及其 他方面作动力源。

Description

本发明涉及当今世界上广泛应用的内燃机。传统的内燃机是通过在气缸中燃料的燃烧，驱动活塞-连杆-曲轴机构，从而输出动力的。传统的内燃机存在着燃料燃烧不完全，容易引起环境污染;运转时产生严重的噪音和振动;以及制造成本高，体积和重量大;为冷却损失热效能等缺点。

为了减少和克服上述缺点，本发明的目的在于建立一种新型的内燃机。

这种内燃机采用一种内燃液压泵所产生的高压液驱动一种液压马达，从而输出动力。这种内燃机具有相应的起动装置。这种内燃机称为“活塞式无曲轴液力传动内燃机”。

无曲轴液力传动内燃机由以下几个主要部分组成：即（1）起动装置，（2）内燃液压泵，（3）液压马达。各部分的基本构造如下。

（1）起动装置（见图1及图2）：它包括起动电动机1，起动液压泵2，储液器21，起动程序阀3，杆形方向阀4，卸载阀20和其他部件。

起动程序阀3和卸载阀20做成一体，它们的构造如图2所示。阀座C内装有阀体A和弹簧B，阀座C和阀体A上有多种孔道。起动时，起动液压泵产生的高压液经进口41将阀体A推向左方，并压迫弹簧B（如图2箭头所示），阀体的出入口改变，入口42被封闭，高压液经阀体中空的通道和出口43流往杆形方向4，经入口管道6或6′流入液压缸5（图1）作起动工作。

当高压液从液压缸5（图1）内流出后经出口管道7和7′返回储液器21前，先经阀体的进口47和出口46（图2），液压泵2（图1）就不负载杠杆式液压马达。

当发动机起动后，液压泵停止工作，阀体A在弹簧B的作用下推回右方，所有出入口回复正常。中空通道44再接通入口42和出口43，液体由于液压缸5的空吸作用不断地由储液器21抽出，流往液压缸5。这时液压缸5就起着液压泵的作用。

从液压缸5产生的高压液，这时经起动程序阀的进口47经阀体的通道进到出口45，前往液压马达作功。

杆形方向阀4（图1）是控制高压液流向的装置，它防止液压缸5工作时高压液倒回或泄漏。其阀体转动的能源来自内燃液压泵内的轴杆11上的齿条带动齿轮12，从而通过锥齿轮带动杆形方向阀的阀体转动。

高压液从入口4a（图1）进入杆形方向阀阀体的空心通道再从右面出口4c或左面出口4b（根据阀体转动的位置）注入液压缸5，使活塞10移动。

（2）内燃液压泵（图1）：它具有圆筒形的液压缸5，液压缸与位于其两端的两个气缸连成一个整体。三者由连接装置，例如多个螺栓25连接在一起，两片防热垫23置于液压缸与气缸接触面之间，以防止因高温传入液压缸而令液体变稀或气化从而产生泄漏。两个气缸50和50′各自都有一个增压气进口13和出口14，球形涡流室15，进气阀门17和排气阀门18。润滑油由入口24进入气缸内，给予两个活塞8和9在运动时以润滑从而减少摩擦。润滑油的流动能源来自活塞8、9在移动时所产生的空吸作用。

起动时活塞10在液压缸中受高压液的推动可来回运动，活塞10的轴杆11的两端分别固定着活塞8和活塞9。活塞8和活塞9分别在气缸50和50′中工作。当活塞10或任一个活塞（8或9）左右移动时，可以带动固定在轴杆11上的其余两件一齐移动。

当双活塞左右移动时，也象普通内燃机一样，进行四冲程的工作过程。工作情况如下：高压液把液压缸5的活塞10推向左方并带动两个活塞8和9向左移动，当活塞9向左方移动时，活塞背面的空气被压缩，此时进气阀门13是关闭的，当活塞9移动了行程的3/4时，出气阀门14才打开，气缸内的压缩空气经管道进入涡流室15内。涡流室是两个处于气缸两端的球形部件，其作用是，当高压气体进入其腔室后，产生一种强烈的气流涡动。当喷油嘴16喷出雾状油粒，由于气流不断地搅动所产生的离心力，不单使油粒有足够的氧气包围，也使较大的油粒很容易被打碎，而形成均匀分布。

同时，在气缸50，当活塞8随同活塞9向左移动时，由于入气口13是打开的，在活塞8背面，气体由于空吸作用而涌入气缸内，活塞8左侧虽然也进行着压缩行程，但由于燃油还未被气体带进气缸内，因而还不能产生燃烧行程作功。

轴杆11在左右往复移动时，带动齿轮12，驱动增压气进口阀14和出口阀13、气缸进气阀18及杆形方向阀4同作定时开关。

当活塞8、9和活塞10移动到设计中的左端极点，杆形方向阀4被轴杆11通过齿轮12带动改变了通道，右端的出口4C被关闭，高压液经左端出口4b注入活塞10的左侧，驱使活塞10连同活塞8和9向右侧移动。

气缸的温度在起动前已被电加热塞26提高，当混合的压缩燃油气进入活塞9右侧的燃烧室内时，油分子很容易被高温蒸发，当活塞移动到设计中的起燃点，开始产生燃烧，高温高压的燃烧行程使活塞9向左侧移动，同时带动另一活塞8重复进行同一过程。

活塞8和9起动后，所产生的废气与脉冲能量，经气缸排气阀18驱使涡轮增压器19工作，将新鲜的高压气体，注入活塞8和9背后的气缸腔体内。当活塞进行排气或压缩行程时，高压气体就填满活塞背后的空间。增压气进口13在活塞到达起燃点前关闭，高压气体被困在缸腔内并吸收周围的热量，体积因而膨胀，当活塞顶部的雾状燃油燃烧膨胀时，活塞背后的高压气体便被压缩增温，当活塞向回移动了大约3/4的行程时，出气口阀门14才打开，高温高压的气体在释放出来时，产生强烈的气流，在涡流室内产生强烈的涡动，使油粒更细碎均匀。这种高温高压的油气混合物要等活塞完成排气行程后才能经气缸进气阀门17进入气缸。所以涡流室也起着蓄压器的作用，使油气混合物在短暂的停留时间内混合得更均匀。当阀门17打开时，高温高压的油气混合物高速地进入气缸内。

由于油粒与气体吸取了缸内的余热，油分子更容易被分裂，故当活塞8、9进入燃烧行程时，燃油的燃烧比一般的涡轮增压式内燃机燃烧更完全，从而减少污染及产生更大功率。

内燃液压泵在工作时会产生高热，为了避免高热传入液压缸使液体产生气化和泄漏，故将液压缸单个铸造，在液压缸和气缸连接处加上隔热片23，在活塞8、9与轴杆之间也加上隔热垫28，隔热垫是用一般隔热材料做成。在液压缸两端有防漏密封圈27。

为避免活塞8、9工作时产生的振动传入液压缸内，影响活塞10的工作，分别在气缸和液压缸内设立防撞垫片22和27′，垫片22和27′是用耐高温的橡胶做成，垫片成圆形，内有许多封闭的球形空间，球形空间内的空气受气缸燃烧时所产生的高温影响而增加压力。当受到活塞8、9冲击时，可吸收一部分冲击力。

为减少活塞8、9与气缸之间的磨擦，在气缸上有润滑油入口24，以便注入润滑油。

在冷却方面，由于冷空气能进入气缸内部并带走部分余热，并且气缸是单独分开的，故当使用在汽车上时，只需风冷就能达到要求。

这种发动机也可采用一般内燃机的缸套水冷方法来达至理想的工作温度。

为了提高机器的效率和冷却增压器，可以采用喷水的方法。其工作情况如下：当发动机运转并产生高热上升到设计的温度时，一具电子热感应器打开高压水泵的出水口通道，让高压水从喷嘴间歇地以雾状喷在增压涡轮的增压气入口处（水泵由三叶片式马达带动），当雾状的水进入入口处后，就冷却增压气入口的温度，使压缩空气的密度增大。冷却水与压缩气被涡轮叶片搅动后会均匀混合，并进入高热的活塞8、9背后的空间，雾状的水份受高热而变成蒸气，压力因而增强，不单使涡流室内的扰动力加强，而且在燃烧室内产生一个理想气流扰动，使油粒的分布均匀。同时蒸气也吸收部分高热而进一步气化（蒸气比燃烧室内的温度相差几百度），使细碎的油粒在理想的压缩燃爆点以上才产生燃烧。燃油燃爆时所产生的高热高压使水蒸汽体积膨胀，燃烧室内的压力也同时增加，使活塞8、9输出更大的功率。

为着使发动机在低速时有增压气提供，涡轮增压器的增压涡轮体积比废气涡轮大，较大的增压涡轮除了能给予发动机在高速时理想压力的气体，也可免使轴承在大流量废气下产生过高转速而烧毁。因为废气涡轮要负载较大的增压涡轮，不应产生过高的转速。

（3）液压马达（图3）：这种新型内燃机具有一个杠杆式液压马达作为传动和作功的机械。当然，这种新型内燃机也可以使用一般已知的液压马达来把内燃液压泵所产生的高压液转变成机械动力输出。但这种新型的杠杆式液压马达比一般叶片式液压马达能产生更大的功率。其结构是用八个双叶片式叶片作为密封和作功设备，作功时由各个叶片以不同的伸展面积，产生大小不同的压力，引起带凹陷空腔的转子61不平衡并带动轴杆66运转，从而把动力输出。

叶片为普通双叶片式，利用弹簧63和高压液62使其紧贴定子壁，以起到密封防漏作用。叶片与转子之间充满液体，作功时只需注入较少的高压液就可充填由于叶片移动时所产生的空间，对于中速以上的液压马达来说，就是减少传动的液损耗。故称作杠杆式液压马达。其工作情况如下：当高压液从液压缸5（见图1）经出口管道7和7，′再经卸载阀20（图1）和液压马达的入口60（图3）和入口56进入马达腔内。高压液在伸展面积不同的叶片上产生大小不同的压力，由于叶片52和叶片57的伸展面积较大，故叶片52和57上的压力大于叶片51和55上的压力，加上高压液作用在转子凹陷腔室上的压力，使转子体61带动轴杆66转动，从而输出动力。

当高压液驱使叶片转到叶片53和65之间的位置，同时另一双叶片到58和64之间的位置，由于定子壁面收窄，叶片53和58前面的液体经出口54和59被排出腔外，叶片58和53也随着壁面收窄而被推回转子体61内。

在另一种结构中，这种新型内燃机还具有一个小型三叶片式液压马达32和一个防逆阀29（见图1）。它们的结构如下：当高压液从液压缸5的出口例如7′流出时，高压液会首先把扇形阀体30推向左方并封闭出口7的通道，并经出口31流进三叶片式液压马达，先经马达入口33，在马达腔内产生液压效应把叶片34推动，从而带动转子把动力输出。高压液经出口35流向卸载阀20（见图1）才进入图3的杠杆式液压马达。三叶片式液压马达32是由三个阶梯叶片组成，它的防漏密封作用原理跟一般的阶梯式叶片相同。这个液压马达用来带动燃油泵和水泵等工作。

这种活塞式无曲轴液力传动内燃机的工作过程如下（图1）：

首先，起动电动机1带动起动液压泵2将高压液经起动程序阀3和杆形方向阀4压入内燃液压泵的液压缸5，使活塞10通过轴杆11带动活塞8和9作往复运动。起动以后，活塞8和9在气缸中按四冲程工作原理进行运转，利用涡流室15中喷油嘴16喷出的油雾与涡流室内空气混合后的混合气进入气缸后的燃烧为动力，持续进行。这时起动电动机1和起动液压泵2停止工作，内燃液压泵中产生的高压液即输往液压马达，驱动其运转，进行工作，使动力输出。

这种内燃机所用燃料为汽油、柴油、重油或一般已知用于传统内燃机上的燃料。

这种内燃机的优点是燃料燃烧完全，减少环境污染;废弃传统的曲轴机构，减少噪音和振动，降低制造成本，减少了机器的体积和重量;气缸单个制造，便利运转时的冷却，同时进入气缸的空气利用气缸的余热进行预热，提高了热效率。

这种内燃机同风机联用，有良好的效果。图4是一种装置于船上的双边螺旋桨风机的侧视图和正视图E，D为一艘使用多个风机作动力的船只。风机每边各有两片螺旋桨81和82，两边的螺旋桨互成十字交错角度。采用双边桨叶不仅为了更好地吸收风力，而且为了消除由于桨叶运转时产生的离心力，重心不平衡等问题。桨叶架体设计成机翼形状的剖面，因而能随风向的改变而改变方位，使其以最佳的角度迎着风向。

当微弱的风速使多个风机转动产生扭矩，传动轴80把动力经减速齿轮71、减速器72与离合器73等传至液压泵75使其工作。由于减速器72把扭矩增大，故液压泵75能产生理想的低流量高压液。高压液从泵75输出并与从内燃液压泵78来的高压液联合在一起经控制阀79，进入液压马达77，使其运转，输出机械动力。

当遇着理想的风速时，从传动轴80传来的动力便不再需经过减速器72，而是经离合器74直接驱动液压泵75。这时可以关掉内燃机，而单靠从风力来的能源。

强烈的风速来临时，过高的转速会对桨叶和轴承产生不利影响，此时可使液压泵75后面的离合器同大液压泵76接合上，使液压泵76也同时加入工作。由于桨叶此时的负荷增大，故其转速也随之下降，到达设计水平，而不会因过高转速而毁掉，同时使船只有更大的动力输出去抵抗从海面上来的巨浪。

同时大液压泵76也可带动一组发电装置，把能源用蓄电池组储存起来，以备在没有理想风速时，输出动力同内燃机的动力一起推动船只，或作为船上的其它用途用电。

这种内燃机在有风力的内陆同风机联用进行发电，也可以收到类似船用的效果。

这种内燃机应用在汽车上，可以安装多组内燃液压泵，由于各组内燃液压泵互相独立，在所需动力输出较小，例如在平坦道路上行驶时，可以关掉其中若干组，以节省燃料，减少空气污染。在内燃液压泵发生故障时，一组泵的损坏不会导致整个发动机停止工作。

这种内燃机应用在飞杋上，使安全可靠性提高，因为一组内燃液压泵出故障时，其他各组内燃液压泵不会受牵连，可以继续工作。另外由于这种发动机的体积小，如果把多组内燃液压泵安装在同一水平线上，并不产生太高的风阻系数。液压马达直接驱动也减少了传动机构，减少了飞行重量，减少了振动、噪音和油耗。

附图标记对照表

1    起动电动机    18    排气阀门

2    起动液压泵    19    涡轮增压器

3    起动程序阀    20    卸载阀

4    杆形方向阀    21    储液阀

4a  入口    22，27′防撞垫片

4b    左面出口    23    防热垫

4c    右面出口    24    润滑油进口

5    液压缸    25    螺栓

6    入口管道    26    电发热塞

6′  入口管道    27    密封圈

7    出口管道    28    隔热垫

7′出口管道    29    防逆阀

8    活塞    30    扇形阀体

9    活塞    31    出口

10    活塞    32    三叶片式液压马达

11    轴杆    33    入口

12    齿轮    34    叶片

13    增压器进口    35    出口

14    增压器出口    41    进口

15    球形涡流室    42    入口

16    喷油嘴    43    出口

17    进气阀门    44    中空通道

45    出口    74    离合器

46    出口    75    液压泵

47    进口    76    大液压泵

50    气缸    77    液压马达

50′气缸    78    内燃液压泵

51    叶片    79    控制阀

52    叶片    80    传动阀

53    叶片    81    螺旋桨

54    出口    82    螺旋桨

55    叶片    A    起动程序阀阀体

56    入口    B    起动程序阀弹簧

57    叶片    C    起动程序阀阀座

58    叶片    D    用多个风机的轮船

59    出口    E    螺旋桨风机正视图

60    入口

61    转子体

62    高压液

63    弹簧

64    叶片

65    叶片

66    轴杆

71    减速齿轮

72    减速器

73    离合器

Claims (8)

1、一种用作动力源的活塞式无曲轴液力传动内燃机，其特点在于，废弃传统内燃机的曲轴机构，采用液力传动机构，它包括一个将燃料燃烧能量转变为高压液能量的内燃液压泵，和一个将内燃液压泵输出的高压液作为动力源进行驱动，从而将其转变为机械动力输出的液压马达，以及保证活塞式无曲轴液力传动内燃机从停止到正常运转的起动装置和保证活塞式无曲轴液力传动内燃机的内燃液压泵同液压马达各自正常地和协调一致地运转的附属装置和部件。

2、一种根据权利要求1的活塞式无曲轴液力传动内燃机，其特点在于，它的内燃液压泵为独立结构，每个内燃液压泵包括一个液压缸5和位于液压缸5两端，用隔热垫23同液压缸5隔开，又用连接装置例如多个螺栓25同液压缸5连接在一起的气缸50和50′，和分别在液压缸5和气缸50和50′中工作，但固定在同一根轴杆11上的活塞10和活塞8和9，从而使活塞10和活塞8和9中任一件的左右移动可以传给其余两件。当起动装置输来的高压液进入液压缸5时，高压液推动活塞10从而带动气缸50和50′中的活塞8和9作往复运动。活塞8和9的往复运动引起进入气缸的燃油雾气燃烧，从而象传统内燃机的活塞一样进行四冲程的工作。内燃液压泵起动后，从液压缸5流出的高压液即输往杠杆式液压马达作功。

3、一种根据权利要求2的活塞式无曲轴液力传动内燃机的内燃液压泵，其特征在于气缸50和50′各自拥有一个增压气入口13和出口14，一条让润滑油通过的通道24;液压缸5有二个防漏环27密封防漏。

4、一种根据权利要求1的活塞式无曲轴液压力传动内燃机，其特点在于，应用杠杆式液压马达将高压液转变为机械动力输出，该液压马达有多个双叶片式叶片，例如八个叶片，通过高压液和弹簧63使叶片紧贴定子壁，起密封作用。

5、一种根据权利要求1的活塞式无曲轴液力传动内燃机，其特点为，保证无曲轴液压传动内燃机由静止到正常运转的起动装置包括起动电动机1，起动液压泵2，储液器21，起动程序阀3，杆形方向阀4，卸载阀20和其他部件。起动程序阀和卸载阀做成一体。

6、一种根据权利要求1的活塞式无曲轴液力传动内燃机，其特点在于，保证内燃液压泵和液压马达各自正常地和相互协调一致地运转的附属装置和部件包括：轴杆11上的齿条，齿轮12及由它带动的控制气缸进气口13和出气口14开关的装置，气缸电加热器26，控制气缸进气阀门17和出气阀门18的装置，涡流室15和喷油嘴16，涡轮增压器19。

7、一种根据权利要求1的活塞式无曲轴液力传动内燃机，其特点在于，它还具有一个小型三叶片式液压马达32和一个防逆阀29，这个液压马达用来带动燃油泵和水泵等工作。

8、一种根据权利要求1的活塞式无曲轴液力传动内燃机，其特点在于，这种内燃机同风机联用，为例如船只提供动力，具有良好效果。风力微弱时，风机产生的动力经传动轴80，减速齿轮71，减速器72，离合器73传到液压泵75使其工作，由泵75产生的高压液与内燃液压泵78产生的高压液联合经控制阀79推动液力马达77，输出机械动力。风力理想时，从传动轴80传来的动力不再经减速器72而是经离合器74直接驱动液压泵75，这时可以关掉内燃液压泵，而单靠从风力获得的动力进行运转。风力过大时，可使液压泵75后面的离合器同大液压泵76接合上，使大液压泵76也同时运转并带动一组发电装置，把所发的电用蓄电池组储存起来，以备在风力小时使用。

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