CN112211723B - 一种对置活塞单轴内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对置活塞单轴内燃机，主要由机体一、气缸套、活塞、活塞导向油缸、机体二、油缸套、液压活塞、活塞销、连杆、曲轴、液压动力传输管、行程变换器、压缩比控制装置、进气控制阀、进气口、进气孔一、进气孔二、排气孔、排气口、喷射装置、喷水器、燃烧室、曲轴箱和动力传输链组成。采用液压传动原理巧妙地省去了传统对置活塞内燃机双曲轴及双曲轴多齿轮传动链的布局，大大缩减了动力传动链，减少了零部件数量，结构简单布局紧凑。

Description

一种对置活塞单轴内燃机

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种对置活塞单轴内燃机。

背景技术

对置活塞内燃机以无复杂的配气***和振动小等优点能得到广泛应用，但大多采用双曲轴通过齿轮系进行动力传导输出，动力传动链较长。与此同时对置活塞内燃机的进排气过程受制于外部增压器，燃烧过程往往受到限制，燃料燃烧不充分，能量转化效率低。此外，传统的对置活塞内燃机受制于其固定的曲柄连杆机构其压缩比不可变，部分负荷下的燃油或燃气经济性较差。

实现简单高效的动力传输的内燃机，更好的适应发电设备、混合动力汽车、燃气热泵、热电联产***及分布式能源***的广泛应用，成为目前对置活塞内燃机需要解决的关键问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种对置活塞单轴内燃机，实现简单高效的动力传输。

本发明实施例提供的一种对置活塞单轴内燃机，其特征在于，包括机体一1，机体一1中部同轴安装有气缸套2；机体一1进排气两侧各连接有活塞导向油缸4；机体一1进气侧设置有进气口15，进气口15与进气控制阀14连接，机体一1进气侧设置有进气孔一16，机体一1和气缸套2进气侧设置进气孔二17；机体一1排气侧设置有排气口19，机体一1和气缸套2排气侧设置排气孔18；机体一1和气缸套2中部安装有喷射装置20；机体一1与机体二5两端通过液压动力传输管11连接；机体二5中对置设置有两个油缸套6，油缸套6中各有一个液压活塞7；机体二5中部设置有曲轴箱23，曲轴箱23内安装有曲轴10；液压活塞7和曲轴10通过活塞销8和连杆9连接；气缸套2内对置放置有两个活塞3，活塞3头部在气缸套2内，活塞3连接杆在活塞导向油缸4内，受气缸套2和活塞导向油缸4的限定，活塞3可进行左右往复运动；对置的活塞3将燃烧做功产生的动力通过液压传动链24传递给与曲轴10相连的动力输出的液压活塞7，从而带动曲轴进行动力输出；气缸套2内壁、机体一1排气侧内腔、排气侧活塞导向油缸4导向段外壁面41和支撑座内壁面42与排气侧活塞3头部底面构成排气压缩室，喷水器21固定于排气侧，喷水器21头部置于排气压缩室内；

利用排气压缩室采用以下热交换模式和/或外燃模式对排气能量进行有效回收利用：

热交换模式：排除的废气从排气孔18到排气口19过程中对排气压缩室进行热交换加热；

外燃模式：液压活塞7运动到下止点时，经过排气口19废气预加热的水经喷水器21喷入排气压缩室变成蒸汽使得排气压缩室内的压力继续升高；在排气压缩室压力推动和液压活塞7从下止点向上止点运动通过液压油的压力传导共同作用下带动活塞3从燃烧室22两侧向燃烧室22中心运动。

一种较佳的实施方式，液压传动链24是由活塞3连接杆底面、活塞导向油缸4内壁面、液压动力传输管11内壁面、油缸套6内壁面和液压活塞7顶面形成的空腔内填充液压油形成。

一种较佳的实施方式，液压传动链24上设置行程变换器12，行程变换器12用于限定活塞3连接杆和液压活塞7的直径，实现燃烧做功接触活塞3和动力输出液压活塞7运动行程可变。

一种较佳的实施方式，压缩比控制装置13固定于行程变换器12上，压缩比控制装置13中的柱塞可在行程变换器12中往复运动，控制两侧压缩比控制装置13的柱塞向上或向下运动使得燃烧室22最小容积减少或增大，压缩比增大或减小。

一种较佳的实施方式，气缸套2内壁、机体一1进气侧内腔、进气孔一16、进气孔二17、进气口15、进气控制阀14、进气侧活塞导向油缸4导向段外壁面41和支撑座内壁面42与进气侧活塞3头部底面构成进气压缩室；利用进气压缩室，采用燃烧做功过程对进气进行预压缩和压缩过程预进气两种方式实现进气有效控制，拓宽机组运行状况。

一种较佳的实施方式，机体二5中设置的曲轴箱23纵向中心线与燃烧室22中心面重合，保证内燃机左右质量相等。

一种较佳的实施方式，活塞3和液压活塞7对称布局且运动相向，抵消活塞3和液压活塞7的运动惯性力。

一种较佳的实施方式，喷射装置20具体为喷油器或喷水器任意之一。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明实施例提供的一种对置活塞单轴内燃机，采用液压传动原理巧妙地省去了传统对置活塞内燃机双曲轴及双曲轴多齿轮传动链的布局，大大缩减了动力传动链，减少了零部件数量，结构简单布局紧凑；另外，通过改变液压传动链内两端活塞对应的连接部件的直径和行程变换器的直径实现燃烧做功接触活塞的行程变化；在保持液压传动链液压油的体积不变，通过压缩比控制器柱塞的位置改变燃烧室最小容积实现压缩比的改变，以满足不同负荷经济运行工况需要；采用燃烧做功过程对进气进行预压缩和压缩过程预进气实现进气有效控制，以拓宽机组运行状况；采用热交换和外燃模式对排气能量进行有效回收利用以提高能量转化效率。

附图说明

图1为本发明实施例的剖视图；

图2为本发明实施例的气缸套的斜视图。

具体实施方式

下面结合附图1-2，对本发明实施例提供的对置活塞单轴内燃机的具体实施方式进行详细地说明。

本发明实施例提供的一种对置活塞单轴内燃机，包括机体一1，机体一1中部同轴安装有气缸套2；机体一1进排气两侧各连接有活塞导向油缸4；机体一1进气侧设置有进气口15，进气口15与进气控制阀14连接，机体一1进气侧设置有进气孔一16，机体一1和气缸套2进气侧设置进气孔二17；机体一1排气侧设置有排气口19，机体一1和气缸套2排气侧设置排气孔18；机体一1和气缸套2中部安装有喷射装置20；机体一1与机体二5两端通过液压动力传输管11连接；机体二5中对置设置有两个油缸套6，油缸套6中各有一个液压活塞7；机体二5中部设置有曲轴箱23，曲轴箱23内安装有曲轴10；液压活塞7和曲轴10通过活塞销8和连杆9连接；气缸套2内对置放置有两个活塞3，活塞3头部在气缸套2内，活塞3连接杆在活塞导向油缸4内，受气缸套2和活塞导向油缸4的限定，活塞3可进行左右往复运动。对置的活塞3将燃烧做功产生的动力通过液压传动链24传递给与曲轴10相连的动力输出的液压活塞7，从而带动曲轴进行动力输出。

液压传动链24是由活塞3连接杆底面、活塞导向油缸4内壁面、液压动力传输管11内壁面、油缸套6内壁面和液压活塞7顶面形成的空腔内填充液压油形成。液压传动链24上设置行程变换器12，行程变换器12用于限定活塞3连接杆和液压活塞7的直径，实现燃烧做功接触活塞3和动力输出液压活塞7运动行程可变。压缩比控制装置13固定于行程变换器12上，压缩比控制装置13中的柱塞可在行程变换器12中往复运动，控制两侧压缩比控制装置13的柱塞向上或向下运动使得燃烧室22最小容积减小或增大，压缩比增大或减小。

气缸套2内壁、机体一1进气侧内腔、进气孔一16、进气孔二17、进气口15、进气控制阀14、进气侧活塞导向油缸4导向段外壁面41和支撑座内壁面42与进气侧活塞3头部底面构成进气压缩室；利用进气压缩室，采用燃烧做功过程对进气进行预压缩和压缩过程预进气两种方式实现进气有效控制，拓宽机组运行状况。

气缸套2内壁、机体一1排气侧内腔、排气侧活塞导向油缸4导向段外壁面41和支撑座内壁面42与排气侧活塞3头部底面构成排气压缩室，喷水器21固定于排气侧，喷水器21头部置于排气压缩室内。利用排气压缩室采用以下热交换模式和/或外燃模式对排气能量进行有效回收利用：1热交换模式：排除的废气从排气孔18到排气口19过程中对排气压缩室进行热交换加热；2外燃模式：液压活塞7运动到下止点时，经过排气口19废气预加热的水经喷水器21喷入排气压缩室变成蒸汽使得排气压缩室内的压力继续升高；在排气压缩室压力推动和液压活塞7从下止点向上止点运动通过液压油的压力传导共同作用下带动活塞3从燃烧室22两侧向燃烧室22中心运动。

具体实施例一

如图1和图2所示，本实施例的对置活塞单轴内燃机主要由机体一1、气缸套2、活塞3、活塞导向油缸4、机体二5、油缸套6、液压活塞7、活塞销8、连杆9、曲轴10、液压动力传输管11、行程变换器12、压缩比控制装置13、进气控制阀14、进气口15、进气孔一16、进气孔二17、排气孔18、排气口19、喷射装置20、喷水器21、燃烧室22、曲轴箱23和动力传输链24组成。

本实施例的对置活塞单轴内燃机，包括机体一1，机体一1中部同轴安装有气缸套2；机体一1进排气两侧各连接有活塞导向油缸4；机体一1进气侧设置有进气口15，进气口15与进气控制阀14连接，机体一1进气侧设置有进气孔一16，机体一1和气缸套2进气侧设置进气孔二17；机体一1排气侧设置有排气口19，机体一1和气缸套2排气侧设置排气孔18；机体一1和气缸套2中部安装有喷射装置20，具体可以为喷油器或点火喷油耦合器或喷油喷水耦合器或点火喷水耦合器；机体一1排气侧连接的活塞导向油缸4安装有喷水器21；机体一1与机体二5两端依次通过液压动力传输管11和行程变换器12连接；机体二5中对置设置有两个油缸套6，油缸套6中各有一个液压活塞7；机体二5中部设置有曲轴箱23，曲轴箱23内安装有一个曲轴10；液压活塞7和曲轴10通过活塞销8和连杆9连接；行程变换器21中安装有压缩比控制装置13。

如图1和图2所示，机体一1与活塞导向油缸4固定连接；气缸套2凸台安置于机体一1进气侧的凹台上使得气缸套2的固定于机体一1；气缸套2和机体一1设置有横向导向槽限制气缸套2和机体一1的轴向转动使得气缸套2和机体一1开孔对正构成进气孔16和排气孔17；气缸套2内对置放置有两个活塞3，活塞3头部在气缸套2内，活塞3连接杆在活塞导向油缸4内，受气缸套2和活塞导向油缸4的限定，活塞3可进行左右往复运动；气缸套2内壁与活塞3头部顶面构成燃烧室22，固定安装于机体一1中部的喷射装置20头部置于燃烧室22中；进气控制阀14固定连接于机体一1上并与进气口15连通，气缸套2内壁、机体一1进气侧内腔、进气孔一16、进气孔二17、进气口15、进气控制阀14、进气侧活塞导向油缸4导向段外壁面41和支撑座内壁面42与进气侧活塞3头部底面构成进气压缩室；喷水器21固定装置于排气侧活塞导向油缸4的底部，气缸套2内壁、机体一1排气侧内腔、排气侧活塞导向油缸4导向段外壁面41和支撑座内壁面42与排气侧活塞3头部底面构成排气压缩室，喷水器21头部置于排气压缩室内；机体二5与机体一1固定连接，使得机体二5中设置的曲轴箱23纵向中心线与燃烧室22中心面重合，保证内燃机左右质量相等，活塞3和液压活塞7对称布局且运动相向，有效抵消了活塞3和液压活塞7等运动惯性力，动平衡性能较传统的内燃机大大提升。

油缸套6与机体二5采用凸台和凹台进行固定安装；液压活塞7在油缸套6内左右往复运动；曲轴10安装于机体二5曲轴箱中进行旋转运动；液压活塞7通过活塞销8和连杆9与曲轴10进行铰链连接，液压活塞7的往复运动与曲轴10的旋转运动相互牵制；活塞导向油缸4、液压动力传输管11、行程变换器12、机体二5相互间通过固定连接；活塞3连接杆底面、活塞导向油缸4内壁面、液压动力传输管11内壁面、行程变换器12内腔、压缩比控制装置13柱塞顶面、油缸套6内壁面和液压活塞7顶面形成的空腔内填充液压油形成液压传动链24，活塞3的左右往复运动和液压活塞7的左右往复运动通过此液压传动链24相互牵制，本发明的对置活塞单轴内燃机采用液压传动原理巧妙地省去了传统对置活塞内燃机双曲轴及双曲轴多齿轮传动链的布局，大大缩减了动力传动链，减少了零部件数量，结构简单布局紧凑；行程变换器12两端连通处直径分别与活塞3连接杆直径和液压活塞7直径相等；压缩比控制装置13固定于行程变换器12上，压缩比控制装置13中的柱塞可在行程变换器12中往复运动，控制两侧压缩比控制装置13的柱塞向上或向下运动使得燃烧室22最小容积减小或增大，压缩比增大或减小。

本实施例对置活塞单轴内燃机工作原理：

采用进气道喷射燃油或燃气与空气形成可燃混合气，内燃机以点燃方式运行状况为例。

燃烧做功过程：曲轴10旋转带动两侧液压活塞7从下止点向上止点运动，当两侧液压活塞7运动至上止点附近时，火花塞点火点燃压缩后的可燃混合气；可燃混合气燃烧后变成高温高压的废气，两侧的活塞3在高温高压废气的推动下从燃烧室22中心向燃烧室22两侧运动，通过液压油推动液压活塞7从上止点向下止点运动，进而带动曲轴旋转对外做功。

排气进气过程：随着两侧活塞3向燃烧室22两侧运动，进气控制阀14关闭，进气压缩室封闭，进气侧活塞3对进入进气压缩室的可燃混合气进行压缩；排气侧活塞3压缩排气压缩室内气体依次经排气孔18和排气口19排除机体；当排气侧活塞3头部底面到达排气孔18右边缘时，排气压缩室封闭，排气侧活塞3对排气压缩室内的气体进行压缩；随着两侧活塞3继续向燃烧室22两侧运动，首先排气侧活塞3头部顶面超过排气孔18左边缘时，燃烧室22内的废气依次经排气孔18和排气口19排除机体；随着两侧活塞3进一步向燃烧室22两侧运动，当进气侧活塞3头部顶面超过进气孔二17右边缘时，进气压缩室内的可燃混合气依次经进气孔一16和进气孔二17进入燃烧室22，进入燃烧室22的可燃混合气对燃烧室22内的废气进行向左吹扫，废气继续依次经排气孔18和排气口19排除机体；当进气侧活塞3头部顶面达到进气孔二17左边缘，排气侧活塞3头部顶面达到排气孔18的右边缘，液压活塞7运动到下止点；曲轴10依靠旋转惯性力经连杆9和活塞销8推动液压活塞7从下止点向上止点运动，进而经液压油推动活塞3从燃烧室22两侧向燃烧室22中心运动；排气侧活塞3头部顶面从排气孔18右边缘运动到排气孔18左边缘过程中，燃烧室22内的废气依靠惯性继续依次经排气孔18和排气口19排除机体，当排气侧活塞3头部顶面到达排气孔18左边缘时排气过程结束；随着两侧活塞3继续向燃烧室22中心运动，当进气侧活塞3头部顶面达到进气口二17的右边缘时，燃烧室22与进气压缩室隔离，进气过程结束。

压缩过程：当进气侧活塞3头部顶面达到进气口二17的右边缘继续向燃烧室22中心运动时，燃烧室22封闭，压缩过程开始，进入燃烧室22的可燃混合气随两侧活塞3的运动被压缩；当曲轴10带动液压活塞7运动至上止点时，两侧活塞3运动至燃烧室22中心最近位置，压缩过程结束进入下一工作循环。

预进气过程：当进气侧活塞3头部顶面达到进气口二17的右边缘继续向燃烧室22中心运动时，燃烧室22封闭，控制进气控制阀14开启，随着进气侧活塞3向燃烧室22中心运动进气压缩室处于负压，在负压作用下可燃混合气进入进气压缩室，根据内燃机转速和扭矩需求控制进气控制阀14关闭，预进气过程结束，进气压缩室封闭。

废气能量利用过程：当排气侧活塞3头部底面到达排气孔18右边缘时，排气压缩室封闭，排气侧活塞3对排气压缩室内的气体进行压缩；随着两侧活塞3继续向燃烧室22两侧运动，首先排气侧活塞3头部顶面超过排气孔18左边缘时，燃烧室22内的废气依次经排气孔18和排气口19排除机体，排除的废气从排气孔18到排气口19过程中对排气压缩室进行热交换加热；在排气侧活塞3的压缩和废气加热作用下排气压缩室内气体温度和压力升高，当排气侧活塞3头部顶面达到排气孔18的右边缘，液压活塞7运动到下止点时，经过排气口19废气预加热的水经喷水器21喷入排气压缩室变成蒸汽使得排气压缩室内的压力继续升高；在排气压缩室压力推动和液压活塞7从下止点向上止点运动通过液压油的压力传导共同作用下带动活塞3从燃烧室22两侧向燃烧室22中心运动；当排气侧活塞3头部底面从燃烧室22两侧向燃烧室22中心运动到排气孔18右边缘时，排气压缩室中的气体经排气孔18和排气口19排除机体。

可变压缩比原理：本发明的燃烧室22最大容积为进气孔二17右边缘至排气孔18左边缘与气缸套2包含的容积，燃烧室22最小容积由液压传动链24中液压油的体积和压缩比控制装置13柱塞位置决定；保持液压传动链24中充注的液压油容量不变，控制两侧压缩比控制装置13柱塞向上运动使得燃烧室22最小容积减小压缩比增大，控制两侧压缩比控制装置13柱塞向下运动使得燃烧室22最小容积增大压缩比减小。

本发明实施例的对置活塞单轴内燃机，采用液压传动原理巧妙地省去了传统对置活塞内燃机双曲轴及双曲轴多齿轮传动链的布局，大大缩减了动力传动链，减少了零部件数量，结构简单布局紧凑；另外，通过改变液压传动链内两端活塞对应的连接部件的直径和行程变换器的直径实现燃烧做功接触活塞的行程变化；在保持液压传动链液压油的体积不变，通过压缩比控制器柱塞的位置改变燃烧室最小容积实现压缩比的改变，以满足不同负荷经济运行工况需要；采用燃烧做功过程对进气进行预压缩和压缩过程预进气实现进气有效控制，以拓宽机组运行状况；采用热交换和外燃模式对排气能量进行有效回收利用以提高能量转化效率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种对置活塞单轴内燃机，其特征在于，包括机体一，所述机体一中部同轴安装有气缸套；所述机体一进排气两侧各连接有活塞导向油缸；所述机体一进气侧设置有进气口，进气口与进气控制阀连接，机体一进气侧设置有进气孔一，机体一和气缸套进气侧设置进气孔二；所述机体一排气侧设置有排气口，机体一和气缸套排气侧设置排气孔；所述机体一和气缸套中部安装有喷射装置；所述机体一与机体二两端通过液压动力传输管连接；所述机体二中对置设置有两个油缸套，油缸套中各有一个液压活塞；所述机体二中部设置有曲轴箱，所述曲轴箱内安装有曲轴；所述液压活塞和曲轴通过活塞销和连杆连接；所述气缸套内对置放置有两个活塞，活塞头部在气缸套内，活塞连接杆在活塞导向油缸内，受气缸套和活塞导向油缸的限定，活塞可进行左右往复运动；对置的活塞将燃烧做功产生的动力通过液压传动链传递给与曲轴相连的动力输出的液压活塞，从而带动曲轴进行动力输出；所述气缸套内壁、机体一排气侧内腔、排气侧活塞导向油缸导向段外壁面和支撑座内壁面与排气侧活塞头部底面构成排气压缩室，喷水器固定于排气侧，所述喷水器头部置于所述排气压缩室内；

利用所述排气压缩室采用以下热交换模式和/或外燃模式对排气能量进行有效回收利用：

热交换模式：排除的废气从所述排气孔到所述排气口过程中对所述排气压缩室进行热交换加热；

外燃模式：液压活塞运动到下止点时，经过所述排气口废气预加热的水经所述喷水器喷入所述排气压缩室变成蒸汽使得所述排气压缩室内的压力继续升高；在所述排气压缩室压力推动和液压活塞从下止点向上止点运动通过液压油的压力传导共同作用下带动活塞从燃烧室两侧向燃烧室中心运动。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述液压传动链是由活塞连接杆底面、活塞导向油缸内壁面、液压动力传输管内壁面、油缸套内壁面和液压活塞顶面形成的空腔内填充液压油形成。

3.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述液压传动链上设置行程变换器，行程变换器用于限定活塞连接杆和液压活塞的直径，实现燃烧做功接触活塞和动力输出液压活塞运动行程可变。

4.根据权利要求3所述的内燃机，其特征在于，压缩比控制装置固定于行程变换器上，压缩比控制装置中的柱塞可在行程变换器中往复运动，控制两侧压缩比控制装置的柱塞向上或向下运动使得燃烧室最小容积减少或增大，压缩比增大或减小。

5.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述气缸套内壁、机体一进气侧内腔、进气孔一、进气孔二、进气口、进气控制阀、进气侧活塞导向油缸的导向段外壁面和支撑座内壁面与进气侧活塞头部底面构成进气压缩室；利用进气压缩室，采用燃烧做功过程对进气进行预压缩和压缩过程预进气两种方式实现进气有效控制，拓宽机组运行状况。

6.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述机体二中设置的所述曲轴箱纵向中心线与所述燃烧室中心面重合，保证内燃机左右质量相等。

7.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述活塞和所述液压活塞对称布局且运动相向，抵消活塞和液压活塞的运动惯性力。

8.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述喷射装置具体为喷油器或喷水器任意之一。

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