高效四缸水平对置曲柄控制往复件相互驱动直线发电机的制作方法
【专利摘要】目前高效四缸水平对置曲柄控制往复件相互驱动直线发电机，因结构问题，能量传输效率低下，而其自身组件所消耗的能量又很大，使现有内燃机热效率一直在30-35％的低效区工作，无法突破，成为一个世界性难题，所以本实用新型采用曲柄连杆机构控制，使气缸形成设定的压缩比，完成燃烧作功，同时通过曲柄连杆机构控制，使活塞运动与进排气门的开闭始终保持同步。另外，本实用新型通过创新，运用了往复件的相互驱动方法，使其自身的传输效率达到96％以上。最后本实用新型采用其它能量的输出方法，从而大大提高输出效率。使内燃机的热效率得到大幅度的提升。
【专利说明】
高效四缸水平对置曲柄控制往复件相互驱动直线发电机
技术领域
[0001]本实用新型设计一种高效四缸水平对置曲柄控制往复件相互驱动直线发电机。
【背景技术】
[0002]现有发动机的曲柄连杆机构虽然结构简单可靠，但机械效率很低，根据王登强，杨娜[对置活塞式四冲程自由活塞发电机仿真研究]一书介绍美国西弗尼亚大学早在1998年研制一款二冲程对置式点燃式自由活塞直线发电机机的试验样机。Houdyschell在第一代样机的基础上开始研究二冲程，压燃式自由活塞直线发电机，美国Sandia国家实验室应用HCCI(均质充量压燃)燃烧方式。研究结果表明系统热效率可达56%……”目前普遍的四冲程内燃机热效率在30-35 %，而两冲程的只有在30 %以下。而这个自由活塞直线发电机热效率提高了近一倍。从其机械结构分析仅小了一个曲柄连杆机构。虽然也更换了燃烧方法，但我们现用的发动机在近十几年时间，更换过很多类似的方法，从化油器到电喷，再到缸内直喷等，但热效率从没一次性提高5%以上，所以与燃烧应没有太大的关系。另外，我在2000年时制造的一台“曲柄连杆机构控制，齿条驱动单向齿轮输出，的单缸50CC四冲程发动机的测试的最好数据基本相近(以下作详细介绍).两者都说明了目前的内燃机曲柄连杆机构效率不高能量损失很大。
[0003]我于1982年高中毕业，1984年自修过两年的建筑结构力学与材料力学，于1986年开始转行修车。是个普通的汽车修理工。刚开始学修车时，由于对发动机了解较小。大脑仅有的记忆是初中书本的知识，即进气，压缩，点火作功，排气等四个工作行程。所以就对发动机的工作原理及组件进行种种的假设和推测。半年后对发动机有了初步的了解，也对曲柄连杆机构的传动效率产生了怀疑。开始用一部分业余时间进行思考，但当时也只是怀疑，两年后与一个高中同桌同学相遇，他毕业于浙江大学，就说出了我心中的疑虑，于是我们两个把曲柄连杆机构的作用力与反作用力进行分析。一致认为效率不高能量损失较大。由于气缸燃烧作动过程中作用力都在不断变化，他也不是学这个专业的，所以也无法计算确切的效率数字。当时我找了很多大小书店，都找不到这方面的相关资料和一点点有用的信息(现在这些受力分析图到处都有，并且都有了仿真参数)。在1995年到1999年我家床对面的墙上贴了好几张点点思路的草图，以便睡觉前思考。就这样经过漫长十多年的思考，苦苦寻找替代曲轴连杆机构方案，都没有任何结果，所得结论反而是曲轴连杆机构结构简单稳定，当然效率不高确是事实。这时应是1999年底了，我想既然没有替代方法，那就退而求其次，保留该机构，用其它能量输出方法，经过思考分析，方案很快出来，因为我是修理工，在这方面我是有很多优势。构结草图出来后(附图1)，为了减小成本，购买了一台50CC旧摩托车四冲程发动机进行改造，测量计算后，制作了零件加工草图，开始寻找材料，购买或者加工零件，三个月后组装，一次性启动成功。这时应当是2000年5月份了。当时也很高兴，但经过了两个晚上的空负荷运转就高兴不起来了，因为单向轴承损坏，停车后用手也能转动。虽然在试制前也曾考虑过这个零件的寿命问题，但没想这么短。拆下来检查发现输出轴磨损明显，单向滚针轴承放在没磨损的轴上试验，用力转动也会打滑。这样输出轴换了好几根，用不同材料，不同的热处理方法都试过，而单向滚针轴承换了好几个国家的，结果还是一样。想想都做出来了，还是做个测试吧，倒底能产生多大的效果。所以就买了个发电机，做了一个两用的底座支架，以便测试新输出端与老输出轴的功率，测试的方法是:新增皮带轮带动发电机，发电后接通用电器(1000W灯泡)，全负荷工作，然后记录电路的电压与电流。再用同一台发电机与老输出端用链条连接，发电后接通用电器，全负荷工作，记录电路的电压与电流。转换成功率后比较，得出新的输出端功率比老的提高了92%，与我目标值很接近，虽然寿命不长，最起码思路正确。测试时速度要快，我知道带上负荷后寿命肯定会更短。好在我们修理厂人很多，又在晚上做这些事，围观的人有十几个。又是新的发动机，大家自然乐意帮忙。当然这样的一次测试又必须更换新的输出轴及单向轴承。共进行了三次，但三次的数据都不同，另外两次分别是83%，64%，一次比一次差。(以后分析认为，可能的原因是输出轴都是手工加工，精度会有误差，而单向滚针轴承要求的偏偏需要高的精度)。坏了换，换了又坏，这样整整持续了一个夏天，而三个数据误差又这么大，可信度存疑。信心大大的受到打击。最后想想还是用测功机做个正规的检测，即使结果只提高了 50%，我想也可以对自己十几年的努力有个交代。因为本地没有测功机，通过同学联系上XX大学，那边可以测试。虽然需要几千元钱，我想可以听听教授们专业的看法，也许对我有所帮助，所以向单位借了一万元钱，与几个老同学一起很早出发，早上9点左右到达校区，通过电话联系后相遇，这个教授带了一个硕士接待我们。但一看到样机后，可能他们已不感兴趣，从表情可以看出。样机确实不好看，本来就是旧的发动改造的，又加上新增的部份全部是手工焊接，虽然底座出发时做了油漆处理，但看上去还是象个废品，(也由于这个原因在2012年底，我在的公司倒闭，别人把我放在仓库里的这个纪念品当废铁卖了，当我第二天知道后想去要回来时，已无法找到)。说好了测试价格，但发现测功机的接口与样机不配，无法检测，需要下次再来。但我自然不会放过与他们交流的机会，确切说想他们给我点意见，我说了我有一次检测结果提高了 92%时，他们不信，但当要拿出设计图与工作原理进行介绍后，他们也产生了浓厚的兴趣。还给我他们两个人的名片，让我弄好后抓紧过去检测，其它后属事情都可以由他们来做，我心里自然兴奋，第一次从专业人员这里得到肯定，这也对我这次的实用新型带来了信心。但我第二次没去，因为我想要的已经有了得案，并且这个设计寿命太短，根本没有实用价值，何必再花这个冤枉钱。也许用这些钱我可以再做一个其它的发动机，当时我确实这么想的。没想一晃就过去了 15年，在这15年里我也经历了人生的风风雨雨，大起大落，但我从没停止对这个项目的继续努力。及到最近这二年，随着新能源汽车的发展，我又重新调整思路，想采用电输出的方法，也许能解决我的难题，方案出来也是三个月以前，经过三个月的努力与分析，我认为这个方法可行，到上个星期止，我认为整个方案已接近完美。
【实用新型内容】:
[0004]本实用新型要解决的技术问题是提供一种高效四缸水平对置曲柄控制往复件相互驱动直线发电机，它能提高传输效率，大大降低在传输过程中的能量消耗，提高输出效率。提高自身传输效率，降低了自身能量消耗，使整机的热效率有望提升20 %以上。
[0005]本实用新型解决上述技术问题采用的技术方案为:
[0006]图中的1.2.3.4为活塞组件，包括活塞环及活塞肖。
[0007]图中5为高精度驱动齿轮，中心轴底部与壳体用螺丝进行固定，内部用滚针轴承与中心轴配合，齿轮与齿条啮合。其作用是:a.负责把第1.2活塞准确送到上下止点(因为(1.2组件中没有同步连杆)不管哪个缸作功，都以高效率的方式把力送到其它三缸(同组传输效率达到100%)，以完成其它三个工作行程。c.不管哪个缸作功，都可以以高效率的方式把能量传到另一组件，提供给发电机发电，也就是说两个发电机都可以进行不间断工作，而能量损失最小。
[0008]图中6，带齿条连杆。两端与3，4活塞连接，中间与发电机两端连接。中间还与8号同步连杆相连。在启动过程中把8传过来的力通过5号传到1.2活塞组件，以便各缸顺利工作。
[0009]图中7，带齿条连杆，其作用基本与6相同。要注意的是6与7的质量越小越好，这样可以减小往复运动的能量损耗，所以必须采用高强度轻质材料。
[0010]图中8，同步连杆，在启起过程中，把曲轴传过来的力，再传给6与7，再能过6与7带动活塞往复工作，顺利完成启动。另外通过8的连接，使活塞的往复运动与气门的开闭始终保持一致。
[0011]图中9，曲轴，控制活塞上下止点的位置，使燃烧按规律进行。通过它与8连接，实现气门与活塞同步。
[0012]图中10。曲轴支承架。与缸体连接，它上面安装固定曲轴。中间还有油道，以便曲柄连杆机构润滑。
[0013]图中11，同步齿轮。它以特定的位置固定在曲轴上。使活塞与气门保持同步。也是本实用新型中能量损失最大的一个部件，它本身能量不会损失，但它通过同步带与凸轮轴连接，这里每增加IkW负荷，就要损失近0.8kW的功率。所以在量产或者后期试制中，将考虑使用同步电机驱动凸轮轴或者直接用电磁驱动进排气门，而这个装置只提供同步信号，从而使曲柄连杆机构实现最小的能量损耗，整个实用新型达到完美。
[0014]图中12，带启动齿轮的飞轮，首先服务于启动工作，另外，它储存着一定的能量，使活塞高速顺利通过上下止点。
[0015]图中13.16.17，导轨。使连杆6与7按设定的位置工作。同时可以使活塞与缸套的寿命比现有内燃机更长。
[0016]图中14.15，直线电机。本系统的终点站。通过它把活塞连杆的往复运动，转换成电能，为其它装置提供动力。如驱动电动汽车，只要采用多个工作站，可以为轮船提供电机驱动的新能源动力，可大大高其经济效益。
[0017]本实用新型的有益效果是:
[0018]与现有技术相比，采用本实用新型结构的高效四缸水平对置曲柄控制往复件相互驱动直线发电机能提高传输效率，大大降低在传输过程中的能量消耗，提高输出效率。提高自身传输效率，降低了自身能量消耗，使整机的热效率有望提升20%以上。
【附图说明】
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[0019]图1是高效四缸水平对置曲柄控制往复件相互驱动直线发电机之前技术的结构示意图；
[0020]图2是高效四缸水平对置曲柄控制往复件相互驱动直线发电机其中一种【具体实施方式】的结构示意图；
[0021]图3是高效四缸水平对置曲柄控制往复件相互驱动直线发电机另一种【具体实施方式】的结构示意图。
[0022]图中附图标记说明:
[0023]1.2.3.4-活塞.5相互驱动齿轮6带齿条连杆7带齿条连杆
[0024]8.同步连杆9.曲轴.10.曲轴支承架11.配气机构同步齿轮
[0025]12.带启动齿轮的飞轮.13.16.17导轨14.15直线发电机。
[0026]【具体实施方式】:
[0027]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:
[0028]本实用新型适用二冲程和四冲程内燃机，点燃压燃内燃机，而相关技术对于直列四缸机稍作改动也可以通用，但成本高，需要一缸一个直线发电机。本实用新型以水平对置四缸效果最佳，所以实用以四缸为一个工作单元，生产功率不等的不同级别，进行模块化生产，根据需要，可以任意增加多个工作单元，只需进行导线连接，就能达到你想要的功率。下面以水平对置四缸四冲程内燃机为一个工作单元设计为例，进行介绍，重点分析，基本结构如附图1 (图中没画缸盖等与现有发动机通用的相关部件)。
[0029]图中的1.2.3.4为活塞组件，包括活塞环及活塞肖。
[0030]图中5为高精度驱动齿轮，中心轴底部与壳体用螺丝进行固定，内部用滚针轴承与中心轴配合，齿轮与齿条啮合。其作用是:a.负责把第1.2活塞准确送到上下止点(因为(1.2组件中没有同步连杆)不管哪个缸作功，都以高效率的方式把力送到其它三缸(同组传输效率达到100%)，以完成其它三个工作行程。c.不管哪个缸作功，都可以以高效率的方式把能量传到另一组件，提供给发电机发电，也就是说两个发电机都可以进行不间断工作，而能量损失最小。
[0031]图中6，带齿条连杆。两端与3，4活塞连接，中间与发电机两端连接。中间还与8号同步连杆相连。在启动过程中把8传过来的力通过5号传到1.2活塞组件，以便各缸顺利工作。
[0032]图中7，带齿条连杆，其作用基本与6相同。要注意的是6与7的质量越小越好，这样可以减小往复运动的能量损耗，所以必须采用高强度轻质材料。
[0033]图中8，同步连杆，在启起过程中，把曲轴传过来的力，再传给6与7，再能过6与7带动活塞往复工作，顺利完成启动。另外通过8的连接，使活塞的往复运动与气门的开闭始终保持一致。
[0034]图中9，曲轴，控制活塞上下止点的位置，使燃烧按规律进行。通过它与8连接，实现气门与活塞同步。
[0035]图中10。曲轴支承架。与缸体连接，它上面安装固定曲轴。中间还有油道，以便曲柄连杆机构润滑。
[0036]图中11，同步齿轮。它以特定的位置固定在曲轴上。使活塞与气门保持同步。也是本实用新型中能量损失最大的一个部件，它本身能量不会损失，但它通过同步带与凸轮轴连接，这里每增加IkW负荷，就要损失近0.8kW的功率。所以在量产或者后期试制中，将考虑使用同步电机驱动凸轮轴或者直接用电磁驱动进排气门，而这个装置只提供同步信号，从而使曲柄连杆机构实现最小的能量损耗，整个实用新型达到完美。
[0037]图中12，带启动齿轮的飞轮，首先服务于启动工作，另外，它储存着一定的能量，使活塞高速顺利通过上下止点。
[0038]图中13.16.17，导轨。使连杆6与7按设定的位置工作。同时可以使活塞与缸套的寿命比现有内燃机更长。
[0039]图中14.15，直线电机。本系统的终点站。通过它把活塞连杆的往复运动，转换成电能，为其它装置提供动力。如驱动电动汽车，只要采用多个工作站，可以为轮船提供电机驱动的新能源动力，可大大高其经济效益。
[0040]根据各自的用途和要求，本实用新型还可以实现另外一种四缸四冲程直线发电机，结构如下图2。
[0041 ]各种构件如前，只是把原来两个直线发电机用一个大功率直线发电机来代替.结构简单了很多，安装设计也更方便，同时也可以使直线发电机远离高温区，但系统的驱动效率可能会下1%，也可以在试制时进行对比。同时图中5的负荷将加大一倍，设计时应要考虑。有好处也有坏处，可以根据实际需要各自选择。
[0042]本实用新型因提高了传输效率，大大降低了在传输过程中的能量消耗，提高输出效率。提高自身传输效率，降低了自身能量消耗，使整机的热效率有望提升20%以上。
[0043]本实用新型可作为混合动力汽车电源，内燃机发电机组，如果对大功率高油耗的运输设备(如渔船.轮船等原以内燃机为动力的)进行改造，采用电机驱动，可大大提高其经济效益。
[0044]本实用新型燃料多样性，可适用于汽油机，柴油机以及以燃气为原料的全部内燃机的升级，适用性很广。
[0045]可适用于二冲程内燃机各四冲程内燃机。
[0046]本实用新型的相关技术可适用于直列四缸内燃。
[0047]本实用新型结构简单可靠，由于全部采用现有成熟技术及机械组件.可马上投入样机试制，然后进行测试优化，就可批量生产.研发周期短，而经济效益相当可观。
【主权项】
1.一种高效四缸水平对置曲柄控制往复件相互驱动直线发电机，其特征在于:包括带齿条连杆(7)，带齿条连杆(7)两端分别连接有活塞(1、2);所述带齿条连杆(7)上齿条与一相互驱动齿轮(5)相啮合;所述相互驱动齿轮(5)与带齿条连杆(6)相匹配，带齿条连杆(6)上齿条与相互驱动齿轮(5)相啮合;所述带齿条连杆(6)两端分别连接有活塞(3、4);所述带齿条连杆(6)中间位置连接有同步连杆(8)，同步连杆连接有曲轴(9);所述曲轴(9)外套设有曲轴支承架(10);所述曲轴(9)下方设有带启动齿轮的飞轮(12);—配气机同步齿轮(11)固定于曲轴(9)上;所述带齿轮连杆(7)位于导轨(16)上;所述带齿轮连杆(6)位于导轨(13、17)上;所述带齿条连杆(6、7)上连接有直线发电机(14、15)。2.根据权利要求1所述的一种高效四缸水平对置曲柄控制往复件相互驱动直线发电机，其特征在于:所述曲轴(9)中间设有油道。3.根据权利要求1所述的一种高效四缸水平对置曲柄控制往复件相互驱动直线发电机，其特征在于:所述曲轴支承架(10)中间设有油道。
【文档编号】F02B63/04GK205532875SQ201520987293
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年12月2日
【发明人】杨岩顺
【申请人】杨岩顺