柱塞式运动能量回收利用结构的制作方法

1.本实用新型涉及一种能量回收利用结构，具体是一种适用于如往复活塞式内燃机的曲柄连杆结构、液压自由活塞内燃机的直线往复结构、冲床的曲轴连杆直线往复结构等往复运动机构的柱塞式运动能量回收利用结构，属于能量回收利用技术领域。


背景技术：

2.如往复活塞式内燃机的曲柄连杆结构、液压自由活塞内燃机(hfpe)的活塞直线往复结构、活塞式空压机或气泵的活塞直线往复结构、冲床的曲轴连杆直线往复结构等往复运动机构，其工作模式均包括活塞的加速正向动力输出做功过程和加速反向复位过程，在活塞频繁的加速往复运动过程中是“正向加速-停止-反向加速-停止”的循环过程，而活塞加速后的骤然停止往往造成能量损耗。以包括曲轴及曲柄连杆机构的传统往复活塞式内燃机为例，活塞式发动机的工作过程通常包括进气、压缩、膨胀做功和排气，即通过燃料在发动机缸体内燃烧将热能转换成机械能，第三冲程做功时，活塞上方受力，向下加速运动，通过连杆对曲轴做功，使曲轴转速更快，做功完成后的燃料废气直接排出发动机缸体，活塞部分产生的作用力只有不到1/3的力产生扭矩，其余的分离与缸体内壁产生严重摩擦力、致使高温现象；另一方面，活塞的往复运动方向的中心线经过曲轴的轴心线时(即上止点和下止点位置)，有效力臂很小、能量转换率较低；再一方面，活塞做往复加减速运动，损失大量的活塞惯性能量，因此活塞式发动机的最大缺点就是能量利用率偏低，只有约为30％左右。以液压自由活塞内燃机为例，区别于传统的往复活塞式内燃机，hfpe把传统内燃机的曲柄连杆机构用刚性连接代替，hfpe的活塞组件的自由度最大为二，活塞组件只能在活塞组件中心轴线方向来回移动，或者活塞组件在不受周向约束的时候还可沿着活塞组件的中心轴线周向转动，hfpe的内燃机部分一般采用二冲直流扫气或回流扫气的结构，在液压系统的驱动下，活塞组件向上止点移动，完成扫气、喷油及着火，进而进入膨胀行程，将高压液压油输出到液压系统中去，hfpe的控制动作完全来依赖于活塞组件的位移信号，hfpe没有惯性机构作为储能装置，因此hfpe的调速方法是将活塞组件控制在下止点附近，通过控制液压压缩压力的输入时刻对活塞组件的运行频率进行调控，虽然hfpe把传统内燃机的曲柄连杆机构用刚性连接代替的方式既缩短了传动链、又省去了不同运动形式之间的反复转换，但由于存在换气损失、传热损失、摩擦损失、液压损失等的输出能量损耗，hfpe的能量利用率也只有38％左右。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本实用新型提供一种柱塞式运动能量回收利用结构，结构简单、便于实施，能够实现回收和利用活塞往复运动过程中加速后骤然停止而损失的能量，进而实现提高能量利用率。
4.为实现上述目的，本柱塞式运动能量回收利用结构包括连杆体以及设置在连杆体内部的能量回收利用机构，能量回收利用机构包括与连杆体同轴设置的密闭柱塞腔，密闭
柱塞腔中滑动配合安装有重锤柱塞，重锤柱塞将密闭柱塞腔分隔形成位于重锤柱塞两端的气体压缩腔ⅰ和气体压缩腔ⅱ，连杆体上对应气体压缩腔ⅰ和气体压缩腔ⅱ的位置分别设有通气孔ⅰ和通气孔ⅱ，在重锤柱塞向气体压缩腔ⅰ方向移动过程中重锤柱塞呈封堵通气孔ⅰ、让位打开通气孔ⅱ的状态，在重锤柱塞向气体压缩腔ⅱ方向移动过程中重锤柱塞呈封堵通气孔ⅱ、让位打开通气孔ⅰ的状态。
5.作为本实用新型的进一步改进方案，能量回收利用机构沿连杆体的轴向方向均布设置为多组。
6.一种往复活塞式内燃机，活塞连杆是柱塞式运动能量回收利用结构，导向柱的顶端与内燃机活塞铰接安装，导向柱的底端与内燃机曲轴铰接安装。
7.作为本实用新型的进一步改进方案，导向柱顶端的铰接销轴是双层套管结构。
8.一种液压自由活塞内燃机，活塞连杆是柱塞式运动能量回收利用结构。
9.一种冲床，曲轴连杆是柱塞式运动能量回收利用结构。
10.与现有技术相比，将本柱塞式运动能量回收利用结构利用通气孔ⅰ和通气孔ⅱ配合重锤柱塞因惯性运动而压缩重锤柱塞两端的气体压缩腔ⅰ或气体压缩腔ⅱ内气体的方式实现能量的回收，利用通气孔ⅰ和通气孔ⅱ配合压缩气体释放压缩动能的方式实现回收能量的再利用，结构简单、便于实施，可以安装在如往复活塞式内燃机的曲柄连杆结构、液压自由活塞内燃机的活塞直线往复结构、活塞式空压机或气泵的活塞直线往复结构、冲床的曲轴连杆直线往复结构等往复运动机构上能够实现回收和利用往复运动过程中加速后骤然停止而损失的能量，进而实现提高能量利用率，同时可以实现减少震动、增加设备平稳运转的稳定性。
附图说明
11.图1是本柱塞式运动能量回收利用结构的结构示意图；
12.图2是连杆体向下正向加速时的结构示意图，箭头所示为连杆体向下运行的方向；
13.图3是连杆体向上反向加速时的结构示意图，箭头所示为连杆体向上运行的方向；
14.图4是导向柱作为往复活塞式内燃机的活塞连杆的结构示意图，其中(a)是活塞位于上止点时的结构示意图、(b)是活塞位于下止点时的结构示意图；
15.图5是导向柱作为单活塞式液压自由活塞内燃机的活塞连杆的结构示意图。
16.图中：1、连杆体，11、通气孔ⅰ，12、通气孔ⅱ，2、密闭柱塞腔，21、气体压缩腔ⅰ，22、气体压缩腔ⅱ，3、重锤柱塞。
具体实施方式
17.下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
18.如图1所示，本柱塞式运动能量回收利用结构包括连杆体1以及设置在连杆体1内部的能量回收利用机构，能量回收利用机构包括与连杆体1同轴设置的密闭柱塞腔2，密闭柱塞腔2中滑动配合安装有重锤柱塞3，重锤柱塞3可沿密闭柱塞腔2的轴向方向自由滑动，重锤柱塞3将密闭柱塞腔2分隔形成位于重锤柱塞3两端的气体压缩腔ⅰ21和气体压缩腔ⅱ22，连杆体1上对应气体压缩腔ⅰ21和气体压缩腔ⅱ22的位置分别设有通气孔ⅰ11和通气孔ⅱ12，在重锤柱塞3因惯性作用向气体压缩腔ⅰ21方向移动过程中，重锤柱塞3呈封堵通气孔
ⅰ
11、让位打开通气孔ⅱ12的状态，在重锤柱塞3因惯性作用向气体压缩腔ⅱ22方向移动过程中，重锤柱塞3呈封堵通气孔ⅱ12、让位打开通气孔ⅰ11的状态。通气孔ⅰ11和通气孔ⅱ12之间的间距尺寸可与重锤柱塞3的轴向长度尺寸配合以实现通气孔ⅰ11和通气孔ⅱ12的顺序启闭。
19.将本柱塞式运动能量回收利用结构安装在往复运动机构上使用时，以连杆体1上下往复运动为例，如图2所示，连杆体1向下正向加速时重锤柱塞3在惯性作用下相对于连杆体1处于静止状态，即重锤柱塞3在惯性作用下相对于连杆体1向气体压缩腔ⅰ21方向移动，此时重锤柱塞3呈封堵通气孔ⅰ11、让位打开通气孔ⅱ12的状态，气体压缩腔ⅰ21内的气体被封闭压缩实现吸收动能、直至到达压缩极限而使重锤柱塞3跟随连杆体1同步运动，气体压缩腔ⅱ22内的气体由于通气孔ⅱ12处于打开状态而处于常压的补气状态；在连杆体1向下正向加速后停止的瞬间，重锤柱塞3在向下的惯性作用以及气体压缩腔ⅰ21内气体释放压缩动能的作用下继续向下方运动，重锤柱塞3向下移动过程中，如图3所示，重锤柱塞3移动至通气孔ⅱ12所在位置后封堵通气孔ⅱ12实现气体压缩腔ⅱ22内的气体被封闭压缩、进而实现吸收重锤柱塞3的动能；在连杆体1开始反向加速的瞬间，在气体压缩腔ⅱ22内的气体释放压缩动能推动重锤柱塞3加速向上运动，重锤柱塞3向上移动过程中，重锤柱塞3移动至通气孔ⅰ11所在位置后封堵通气孔ⅰ11实现气体压缩腔ⅰ21内的气体再次被封闭压缩、进而实现吸收重锤柱塞3的动能，直至到达压缩极限而使重锤柱塞3产生带动连杆体1反向运动的力矩，依次类推，实现能量的回收和利用。
20.为实现更好的能量回收和利用效果，作为本实用新型的进一步改进方案，如图1至图3所示，能量回收利用机构沿连杆体1的轴向方向均布设置为多组。
21.以包括曲轴及曲柄连杆机构的传统往复活塞式内燃机为例，如图4所示，导向柱1可以是往复活塞式内燃机的活塞连杆，导向柱1的顶端与内燃机活塞铰接安装，导向柱1的底端与内燃机曲轴铰接安装，如图4(a)和图4(b)所示，活塞在上止点和下止点之间运动过程中可以通过重锤柱塞3因惯性而往复运动实现能量的回收和利用。为保证铰接强度的前提下实现减少铰接销的重量、并具有一定的弹性缓冲作用，导向柱1顶端的铰接销轴是双层套管结构，其硬度可以在50hrc左右以实现吸收较强的震动冲击峰值，达到平稳减震的效果。
22.以单活塞式液压自由活塞内燃机为例，如图5所示，导向柱1可以是单活塞式液压自由活塞内燃机的活塞连杆，可以实现能量的回收和利用。
23.以冲床为例，导向柱1可以是冲床的曲轴连杆，可以实现能量的回收和利用。

技术特征：
1.一种柱塞式运动能量回收利用结构，其特征在于，包括连杆体(1)以及设置在连杆体(1)内部的能量回收利用机构，能量回收利用机构包括与连杆体(1)同轴设置的密闭柱塞腔(2)，密闭柱塞腔(2)中滑动配合安装有重锤柱塞(3)，重锤柱塞(3)将密闭柱塞腔(2)分隔形成位于重锤柱塞(3)两端的气体压缩腔ⅰ(21)和气体压缩腔ⅱ(22)，连杆体(1)上对应气体压缩腔ⅰ(21)和气体压缩腔ⅱ(22)的位置分别设有通气孔ⅰ(11)和通气孔ⅱ(12)，在重锤柱塞(3)向气体压缩腔ⅰ(21)方向移动过程中重锤柱塞(3)呈封堵通气孔ⅰ(11)、让位打开通气孔ⅱ(12)的状态，在重锤柱塞(3)向气体压缩腔ⅱ(22)方向移动过程中重锤柱塞(3)呈封堵通气孔ⅱ(12)、让位打开通气孔ⅰ(11)的状态。2.根据权利要求1所述的柱塞式运动能量回收利用结构，其特征在于，能量回收利用机构沿连杆体(1)的轴向方向均布设置为多组。3.一种往复活塞式内燃机，其特征在于，活塞连杆是如权利要求1所述的柱塞式运动能量回收利用结构，导向柱(1)的顶端与内燃机活塞铰接安装，导向柱(1)的底端与内燃机曲轴铰接安装。4.根据权利要求3所述的往复活塞式内燃机，其特征在于，导向柱(1)顶端的铰接销轴是双层套管结构。5.一种液压自由活塞内燃机，其特征在于，活塞连杆是如权利要求1所述的柱塞式运动能量回收利用结构。6.一种冲床，其特征在于，曲轴连杆是如权利要求1所述的柱塞式运动能量回收利用结构。

技术总结
本实用新型公开了一种柱塞式运动能量回收利用结构，包括连杆体以及设置在连杆体内部的能量回收利用机构，能量回收利用机构包括与连杆体同轴设置的密闭柱塞腔，密闭柱塞腔中滑动配合安装有重锤柱塞，重锤柱塞将密闭柱塞腔分隔形成位于重锤柱塞两端的气体压缩腔Ⅰ和气体压缩腔Ⅱ，连杆体上对应气体压缩腔Ⅰ和气体压缩腔Ⅱ的位置分别设有通气孔Ⅰ和通气孔Ⅱ。本实用新型利用通气孔Ⅰ和通气孔Ⅱ配合重锤柱塞因惯性运动而压缩重锤柱塞两端的气体压缩腔Ⅰ或气体压缩腔Ⅱ内气体的方式实现能量的回收，利用压缩气体释放压缩动能的方式实现回收能量的再利用，能够实现回收和利用往复运动过程中加速后骤然停止而损失的能量，进而实现提高能量利用率。高能量利用率。高能量利用率。


技术研发人员：孙劲松
受保护的技术使用者：孙劲松
技术研发日：2022.11.16
技术公布日：2023/5/30