專利名稱：由熱能同時(shí)轉(zhuǎn)變成機(jī)械能與流體壓力能的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能量狀態(tài)的轉(zhuǎn)換方法及其裝置，具體地說(shuō)是一種由熱能同時(shí)直接轉(zhuǎn)變成機(jī)械能與流體壓力能的方法及其所使用的裝置。
傳統(tǒng)的流體壓力能一般是經(jīng)過(guò)機(jī)械能轉(zhuǎn)換而獲得，而機(jī)械能通常是由熱能或電能轉(zhuǎn)換而來(lái)。但就熱能向流體壓力能的轉(zhuǎn)換，除了需經(jīng)機(jī)械能狀態(tài)的過(guò)渡外，還有傳遞與參數(shù)變換多個(gè)環(huán)節(jié)，而且涉及的設(shè)備裝置也相對(duì)復(fù)雜。熱能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換的現(xiàn)有裝置主要有活塞式內(nèi)燃機(jī)，由燃燒室、缸體、活塞、連桿、曲柄、噴嘴、活塞環(huán)、缸蓋、缸底等部件構(gòu)成，其工作過(guò)程通常分為二個(gè)沖程或四個(gè)沖程完成一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的循環(huán)。當(dāng)燃燒室內(nèi)的高壓可燃?xì)怏w燃爆后產(chǎn)生推力推動(dòng)活塞移動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿和曲柄將熱能變換成機(jī)械能而對(duì)外做功。由于現(xiàn)實(shí)中同時(shí)應(yīng)用機(jī)械能與流體壓力能場(chǎng)合很多，所以經(jīng)常要將機(jī)械能(由熱能或電能轉(zhuǎn)換而成)分成兩路，其中一路由常規(guī)流體泵將機(jī)械能變換成流體壓力能，其常規(guī)設(shè)備如柱塞泵，主要由缸體、偏心輪、柱塞、彈簧、進(jìn)出口閥等部件組成，由機(jī)械能帶動(dòng)偏心輪從而使柱塞作軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，靠密封容積的大小交替變化而形成流體壓力能量狀態(tài)。目前這種由熱能向機(jī)械能和流體壓力能轉(zhuǎn)換的技術(shù)方法需要通過(guò)四個(gè)環(huán)節(jié)，一是由內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換；二是由機(jī)械能分流裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的分流；三是由機(jī)械變速連接裝置實(shí)現(xiàn)分流機(jī)械能向流體泵的傳遞及參數(shù)變換；四是由流體泵實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向流體壓力能的轉(zhuǎn)換。正是因?yàn)榉至?、傳遞及轉(zhuǎn)換過(guò)程的多環(huán)節(jié)及設(shè)備本身的原因，使這種能態(tài)變換普遍存在轉(zhuǎn)換效率低，轉(zhuǎn)換設(shè)備、裝置復(fù)雜、笨重，性能差，且轉(zhuǎn)換狀態(tài)適應(yīng)范圍小，使用不便等突出缺點(diǎn)。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有熱能向機(jī)械能與流體壓力能狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程需經(jīng)過(guò)機(jī)械能分流、傳遞等環(huán)節(jié)而造成能量損失大及裝置復(fù)雜、笨重的突出缺點(diǎn)，尋求設(shè)計(jì)一種由燃燒產(chǎn)生的熱能直接變換成機(jī)械能與流體壓力能狀態(tài)的方法及其裝置。由于同時(shí)應(yīng)用機(jī)械能與流體壓力能的領(lǐng)域越來(lái)越廣，如各種可移動(dòng)(車輛)或不可移動(dòng)動(dòng)力源、風(fēng)機(jī)、泵源等場(chǎng)合，所以本發(fā)明方法及其裝置可以提供一種簡(jiǎn)單、高效、方便的可同時(shí)亦可單獨(dú)輸出機(jī)械能和流體壓力能的能源動(dòng)力裝置。尤其是采用該方法使用的裝置簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，可以縮小設(shè)備體積，節(jié)約原材料，減少污染環(huán)節(jié)。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的方法在含有活塞、柱塞、連桿、曲軸的V形能量轉(zhuǎn)換裝置中完成，V形能量轉(zhuǎn)換裝置分為兩列，每列工作缸數(shù)目、缸徑可相同也可不同，活塞缸列用于熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，柱塞缸列用于機(jī)械能的分流及向流體壓力能的轉(zhuǎn)換。用于熱能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換的活塞缸列工作機(jī)構(gòu)即活塞工作缸—活塞—活塞連桿—曲軸，通過(guò)一個(gè)工作循環(huán)即進(jìn)氣、壓縮、燃燒與膨脹、排氣等過(guò)程，活塞運(yùn)動(dòng)兩個(gè)或四個(gè)行程，曲軸旋轉(zhuǎn)一周或兩周實(shí)現(xiàn)一次熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換；用于機(jī)械能分流及向流體壓力能轉(zhuǎn)換的柱塞缸列工作機(jī)構(gòu)即柱塞工作缸—柱塞—柱塞連桿—曲軸，通過(guò)一個(gè)工作循環(huán)即曲軸旋轉(zhuǎn)一周，柱塞運(yùn)動(dòng)兩個(gè)行程，通過(guò)進(jìn)油、排油等過(guò)程完成一次能量分流及向流體壓力能的轉(zhuǎn)換工作。對(duì)于活塞缸列，其工作原理與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)類似，這里不再贅述。下面僅就這種雙能態(tài)轉(zhuǎn)換裝置的能量分流及向流體壓力能轉(zhuǎn)換的工作原理說(shuō)明如下。
活塞缸列工作機(jī)構(gòu)將燃料熱能轉(zhuǎn)換為曲軸的機(jī)械旋轉(zhuǎn)能量，獲得能量的曲軸一方面直接對(duì)機(jī)械負(fù)荷作功，一方面通過(guò)柱塞連桿將能量分流到柱塞，曲軸旋轉(zhuǎn)半周，柱塞運(yùn)動(dòng)一個(gè)行程，曲軸旋轉(zhuǎn)一周，柱塞運(yùn)動(dòng)兩個(gè)行程。在分流動(dòng)力作用下，柱塞自上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體進(jìn)口閥開(kāi)啟，流體出口閥關(guān)閉，柱塞工作室與流體進(jìn)入通道連通，與流體排出通道隔離，隨著柱塞向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，柱塞工作室容積逐漸增大，形成真空，通過(guò)流體進(jìn)口閥吸入經(jīng)過(guò)過(guò)濾的低壓流體；柱塞自下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體進(jìn)口閥關(guān)閉，流體出口閥開(kāi)啟，柱塞工作室與流體進(jìn)入通道隔離，與流體排出通道連通，隨著柱塞向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，柱塞工作室容積逐漸減小，室內(nèi)流體壓力加大，通過(guò)流體出口閥排出高壓流體，實(shí)現(xiàn)分流能量向流體壓力能的轉(zhuǎn)換。這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的熱能向機(jī)械能和流體壓力能的轉(zhuǎn)換循環(huán)，如此周而復(fù)始。
完成上述能量轉(zhuǎn)換的裝置主要由活塞工作室、活塞、活塞連桿、活塞工作缸、柱塞工作室、柱塞、柱塞連桿、柱塞工作缸、曲軸、缸蓋、曲軸箱、燃油泵、噴油器、燃油過(guò)濾器、空氣過(guò)濾器、活塞環(huán)、柱塞環(huán)、進(jìn)氣門、排氣門、流體過(guò)濾器、流體進(jìn)口閥、流體出口閥及流體通道等部件組成；活塞工作缸、柱塞工作缸、缸蓋和曲軸箱組成裝置的主體固定不動(dòng)；活塞與缸蓋、活塞工作缸內(nèi)壁構(gòu)成活塞工作室；柱塞與缸蓋、柱塞工作缸內(nèi)壁構(gòu)成柱塞工作室；活塞、柱塞既可以往復(fù)運(yùn)動(dòng)，又通過(guò)活塞環(huán)、柱塞環(huán)將活塞工作室、柱塞工作室密封；活塞通過(guò)活塞連桿、柱塞通過(guò)柱塞連桿與曲軸相連。位于同一曲軸軸徑上的活塞連桿與柱塞連桿可以位于同一運(yùn)動(dòng)平面，也可以位于不同的運(yùn)動(dòng)平面。
本發(fā)明方法及其裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，在實(shí)現(xiàn)由熱能同時(shí)向機(jī)械能和流體壓力能轉(zhuǎn)換方面省去了很多過(guò)渡環(huán)節(jié)，具有能量轉(zhuǎn)換效率高，工作原理簡(jiǎn)單，實(shí)施過(guò)程靈活，涉及的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，體積小，不但可以節(jié)省能源，而且可以節(jié)省原材料等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明能量轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖2為本發(fā)明實(shí)施例車用機(jī)械-液壓混種動(dòng)力傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例工程車輛行駛(機(jī)械)與工作(液壓)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖。
本發(fā)明裝置的部件組成主要有活塞工作室1、活塞2、活塞連桿3、活塞工作缸4、柱塞工作室5、柱塞6、柱塞連桿7、柱塞工作缸8、曲軸9、缸蓋10、曲軸箱11、燃油泵12、噴油器13、燃油過(guò)濾器14、空氣過(guò)濾器15、活塞環(huán)16、柱塞環(huán)17、進(jìn)氣門18、排氣門19、流體過(guò)濾器20、流體進(jìn)口閥21、流體出口閥22、流體進(jìn)入通道23、流體排出通道24等部件組成；活塞工作缸4、柱塞工作缸8、缸蓋10和曲軸箱11組成裝置的主體固定不動(dòng)；活塞2與缸蓋10、活塞工作缸4內(nèi)壁構(gòu)成活塞工作室1；柱塞6與缸蓋10、柱塞工作缸8內(nèi)壁構(gòu)成柱塞工作室5；活塞2、柱塞6在缸體中既可以往復(fù)運(yùn)動(dòng)，又通過(guò)活塞環(huán)16、柱塞環(huán)17將活塞工作室1、柱塞工作室5密封；活塞2通過(guò)活塞連桿3、柱塞6通過(guò)柱塞連桿7與曲軸9相連；位于同一曲軸9軸徑上的活塞連桿3與柱塞連桿7可以位于同一運(yùn)動(dòng)平面，也可以位于不同的運(yùn)動(dòng)平面；活塞工作缸4與柱塞工作缸8成V形，中心線分別或共同交于曲軸9中心線上。整機(jī)裝置的配制可以按常規(guī)方法構(gòu)置而成。熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換由活塞缸列實(shí)現(xiàn)，其工作原理與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)類似，這里不在贅述。下面僅就這種雙能態(tài)轉(zhuǎn)換裝置的能量分流及向流體壓力能轉(zhuǎn)換的工作原理說(shuō)明如下。
活塞缸列工作機(jī)構(gòu)即活塞工作缸4—活塞2—活塞連桿3—曲軸9，通過(guò)一個(gè)工作循環(huán)即進(jìn)氣、壓縮、燃燒與膨脹、排氣等過(guò)程、活塞2運(yùn)動(dòng)兩個(gè)(二沖程轉(zhuǎn)換)或四個(gè)(四沖程轉(zhuǎn)換)行程、曲軸9旋轉(zhuǎn)一周(二沖程轉(zhuǎn)換)或兩周(四沖程轉(zhuǎn)換)實(shí)現(xiàn)一次熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，周而復(fù)始的工作循環(huán)，連續(xù)地將燃料熱能轉(zhuǎn)換為曲軸9的機(jī)械旋轉(zhuǎn)能量。獲得能量的曲軸9一方面直接對(duì)機(jī)械負(fù)荷作功，一方面通過(guò)柱塞連桿7將能量分流到柱塞6，曲軸9旋轉(zhuǎn)一周，柱塞6運(yùn)動(dòng)兩個(gè)行程，完成一次分流能量向流體壓力能的轉(zhuǎn)換。
進(jìn)油行程在分流動(dòng)力作用下，柱塞6自上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體進(jìn)口閥21開(kāi)啟，流體出口閥22關(guān)閉，柱塞工作室5與流體進(jìn)入通道23連通，與流體排出通道24隔離，隨著柱塞6向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，柱塞工作室5容積逐漸增大，形成真空，通過(guò)流體進(jìn)口閥21吸入經(jīng)過(guò)過(guò)濾的低壓流體。柱塞6到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)，完成進(jìn)油行程，此時(shí)，柱塞工作室5容積達(dá)到最大，并且充滿低壓流體。
排油行程在分流動(dòng)力作用下，柱塞6自下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體進(jìn)口閥21關(guān)閉，流體出口閥22開(kāi)啟，柱塞工作室5與流體進(jìn)入通道23隔離，與流體排出通道24連通，隨著柱塞6向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，柱塞工作室5容積逐漸減小，室內(nèi)流體壓力加大，通過(guò)流體出口閥22排出高壓流體。柱塞6到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，完成排油行程。
對(duì)應(yīng)一次熱能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換的工作循環(huán)，通過(guò)能量分流可完成一個(gè)(二沖程轉(zhuǎn)換)或兩個(gè)(四沖程轉(zhuǎn)換)分流能量向流體壓力能的轉(zhuǎn)換循環(huán)。這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的熱能向機(jī)械能和流體壓力能的轉(zhuǎn)換循環(huán)，如此周而復(fù)始。
本發(fā)明中的兩列工作缸以V形夾角相連于同一根曲軸上，V形夾角的大小根據(jù)工作缸數(shù)和總體布置的要求確定，一般取為60°、90°、120°、180°，當(dāng)V形夾角取為180°時(shí)，兩列工作缸成為對(duì)置式。將熱能轉(zhuǎn)換機(jī)械能的活塞缸列工作機(jī)構(gòu)可為二沖程轉(zhuǎn)換，亦可為四沖程轉(zhuǎn)換；燃料可為流體燃料如柴油、汽油，亦可為氣體燃料如天然氣、液化氣等。根據(jù)需要可產(chǎn)生多種變型裝置。當(dāng)不需要機(jī)械能輸出時(shí)，本發(fā)明的裝置可作為純流體動(dòng)力源或流體輸送泵源使用；當(dāng)不需要流體壓力能輸出時(shí)，本發(fā)明的裝置可作為純機(jī)械動(dòng)力源使用。當(dāng)本發(fā)明的裝置用做動(dòng)力輸出時(shí)，其所用流體一般為液壓油；當(dāng)本發(fā)明的裝置用做流體輸送泵源時(shí)，其所用流體根據(jù)需要可為一般液體、氣體或其他工業(yè)流質(zhì)。
實(shí)施例1車用機(jī)械-液壓混種動(dòng)力傳動(dòng)裝置在本發(fā)明涉及的能量轉(zhuǎn)換裝置25上的流體排出通道24的輸出端按現(xiàn)有技術(shù)工藝加裝儲(chǔ)能器26和限壓閥27構(gòu)成高壓流體輸出的穩(wěn)壓系統(tǒng)，使輸出的流體具有穩(wěn)定的壓力供給液壓馬達(dá)28，將液壓馬達(dá)28輸出端與行星排29的齒圈30相連接，將曲軸9與行星排29的太陽(yáng)輪(中心輪)31相連接，由行星排29的行星架32對(duì)外輸出動(dòng)力。同時(shí)再采用常規(guī)技術(shù)方法配裝燃料供給系統(tǒng)33、冷卻系統(tǒng)34、潤(rùn)滑系統(tǒng)35、啟動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)36等構(gòu)成車用機(jī)械-液壓混種動(dòng)力傳動(dòng)裝置。
實(shí)施例2工程車輛行駛(機(jī)械)與工作(液壓)動(dòng)力系統(tǒng)在本發(fā)明涉及的能量轉(zhuǎn)換裝置25上的流體排出通道24的輸出端按現(xiàn)有技術(shù)工藝加裝儲(chǔ)能器26和限壓閥27構(gòu)成高壓流體輸出的穩(wěn)壓系統(tǒng)，使輸出的流體具有穩(wěn)定的壓力供給工作裝置液壓馬達(dá)28、液壓缸37等，驅(qū)動(dòng)車輛工作裝置工作，將曲軸9與傳動(dòng)系38相連接，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。同時(shí)再采用常規(guī)技術(shù)方法配裝燃料供給系統(tǒng)33、冷卻系統(tǒng)34、潤(rùn)滑系統(tǒng)35、啟動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)36等構(gòu)成工程車輛行駛(機(jī)械)與工作(液壓)動(dòng)力系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種由熱能同時(shí)轉(zhuǎn)變成機(jī)械能與流體壓力能的方法，其特征在于該方法在含有活塞、柱塞、連桿、曲軸的V形能量轉(zhuǎn)換裝置中完成，活塞缸列用于熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，柱塞缸列用于機(jī)械能的分流及向流體壓力能的轉(zhuǎn)換；活塞缸列通過(guò)一個(gè)工作循環(huán)，活塞運(yùn)動(dòng)兩個(gè)或四個(gè)行程，曲軸旋轉(zhuǎn)一周或兩周實(shí)現(xiàn)一次轉(zhuǎn)換；柱塞缸列通過(guò)一個(gè)工作循環(huán)，曲軸旋轉(zhuǎn)一周，柱塞運(yùn)動(dòng)兩個(gè)行程完成一次能量分流及向流體壓力能的轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由熱能同時(shí)轉(zhuǎn)變成機(jī)械能與流體壓力能的方法，其特征在于柱塞自上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體進(jìn)口閥開(kāi)啟，流體出口閥關(guān)閉，柱塞工作室與流體進(jìn)入通道連通，與流體排出通道隔離，隨著柱塞向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，柱塞工作室容積逐漸增大，形成真空，通過(guò)流體進(jìn)口閥吸入經(jīng)過(guò)過(guò)濾的低壓流體；柱塞自下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體進(jìn)口閥關(guān)閉，流體出口閥開(kāi)啟，柱塞工作室與流體進(jìn)入通道隔離，與流體排出通道連通，隨著柱塞向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，柱塞工作室容積逐漸減小，室內(nèi)流體壓力加大，通過(guò)流體出口閥排出高壓流體，實(shí)現(xiàn)分流能量向流體壓力能的轉(zhuǎn)換。
3.一種由熱能同時(shí)轉(zhuǎn)變成機(jī)械能與流體壓力能的裝置，主要由活塞工作室、活塞、活塞連桿、活塞工作缸、柱塞工作室、柱塞、柱塞連桿、柱塞工作缸、曲軸、缸蓋、曲軸箱、燃油泵、噴油器、燃油過(guò)濾器、空氣過(guò)濾器、活塞環(huán)、柱塞環(huán)、進(jìn)氣門、排氣門、流體過(guò)濾器、流體進(jìn)口閥、流體出口閥及流體通道等部件組成，其特征在于活塞工作缸、柱塞工作缸、缸蓋和曲軸箱組成裝置的主體固定不動(dòng)；活塞與缸蓋、活塞工作缸內(nèi)壁構(gòu)成活塞工作室；柱塞與缸蓋、柱塞工作缸內(nèi)壁構(gòu)成柱塞工作室；活塞、柱塞可以往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)活塞環(huán)、柱塞環(huán)將活塞工作室、柱塞工作室密封；活塞通過(guò)活塞連桿、柱塞通過(guò)柱塞連桿與曲軸相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的由熱能同時(shí)轉(zhuǎn)變成機(jī)械能與流體壓力能的裝置，其特征在于活塞工作缸與柱塞工作缸成V形，中心線分別或共同交于曲軸中心線上；兩列工作缸的V形夾角一般取60°、90°、120°、180°，當(dāng)V形夾角取180°時(shí)，兩列工作缸成對(duì)置式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由熱能同時(shí)轉(zhuǎn)變成機(jī)械能與流體壓力能的方法及其所使用的裝置，其方法在由活塞缸列和柱塞缸列構(gòu)成的V形裝置中完成，活塞缸列用于熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，柱塞缸列用于機(jī)械能的分流及向流體壓力能的轉(zhuǎn)換，活塞缸列的活塞運(yùn)動(dòng)兩個(gè)或四個(gè)行程，曲軸旋轉(zhuǎn)一周或兩周實(shí)現(xiàn)一次轉(zhuǎn)換；柱塞缸列的柱塞運(yùn)動(dòng)兩個(gè)行程，曲軸旋轉(zhuǎn)一周完成一次能量分流及向流體壓力能的轉(zhuǎn)換，本裝置及其能量轉(zhuǎn)換方法比現(xiàn)有技術(shù)省去過(guò)渡環(huán)節(jié)，能量轉(zhuǎn)換效率高，工作原理簡(jiǎn)單，實(shí)施過(guò)程靈活，裝置體積小，節(jié)省原材料及能源，可應(yīng)用于多種能態(tài)需求的工作場(chǎng)合。
文檔編號(hào)F02B3/06GK1399061SQ0111516
公開(kāi)日2003年2月26日 申請(qǐng)日期2001年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月23日
發(fā)明者張鐵柱 申請(qǐng)人:青島大學(xué)