一种活塞式动力机
技术领域
本发明涉及一种动力机的改进。
背景技术
现有活塞式动力机如内燃机中，将气缸活塞的直线运动转换为圆周旋转运动输出采用的均是连杆-曲轴传动机构实现，即内燃机中的活塞-连杆-曲轴结构实现。在连杆-曲轴传动中，传动力臂最大为连杆与曲轴旋转圆周相切位置，最小为连杆延长线经过曲轴旋转圆周中心位置，并且此时力臂为零，由于力臂不断变化，因此转换的效率极低，这也是阻碍动力机进一步提高能源利用率的瓶颈。于此同时，由于采用的曲轴形式，其体积也较大，同时也限制了活塞行程和气缸大小的自由设计，这是阻碍高效率活塞动力机发展的重要原因。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术不足，提供一种体积小、高效的活塞式动力机。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案实现：
一种活塞式动力机，包括动力机缸体以及安装于缸体内的活塞组件，所述的活塞组件包括位于两端对称安装的活塞，活塞固定于连杆两端，在连杆上设置有沿活塞运动方向布置的齿条以及与齿条啮合的齿轮，齿轮通过单向轴承固定于动力机动力输出轴上。
作为对上述方案的改进，所述的齿条以及齿轮至少包括两对，两齿条上下平行布置，且两齿条在竖直面上错位分布，两齿轮位于两齿条之间且同轴心安装，两齿轮分别与两齿条啮合，固定两齿轮的两单向轴承同方向锁死。
作为对上述方案的进一步改进，在活塞与缸体内端面之间为可实现连续燃烧做功方式的燃烧室，在燃烧室内壁设置有进气孔、排气孔以及进油孔，在活塞组件与缸体之间设置有防止活塞组件移动超出范围的定位组件。所述的定位组件包括设置于活塞组件上的定位卡以及两个设置于缸体上的定位开关，两定位开关距离与活塞组件行程一致。
作为对上述方案的另外一种改进，在活塞与缸体内端面之间为容纳高压气体或者高压水流的容纳腔，在容纳腔内壁设置有进口、出口，在连杆两端朝齿轮方向均设置有刹车组件。所述的刹车组件包括一弧形刹车片，刹车片与设置于齿轮上的台阶圆周面对应，弧形刹车片通过活动轴以及驱动刹车片恢复初始状态的弹簧安装于缸体上，在连杆内两端安装有用于将刹车片推向齿轮方向的推杆。
相对现有技术而言，本发明具有如下优点：
1.能源利用率大幅度提高：现有的连杆-曲轴结构运动时，当连杆与曲轴连接点运动至曲轴运动圆周的切点位置时，其转换效率最高(可视为100％)，当连杆与曲轴连接点运动至连杆延长线经过曲轴运动圆周圆心位置时，其转换率为零(称之为死点)，在曲轴转动一周过程中，连杆与曲轴连接点经过两个死点以及两个切点，在此过程中平均的转换率不超过50％，由此可见其能源利用率低于50％；而本发明结构则相当于连杆始终作用于曲轴切点上，转换效率一直处于最高状态(可视为100％)，由此可见，与现有连杆-曲轴结构形式小于50％的能源利用率相比提高了一倍以上。
2.气缸容积密度大幅度提高：动力机的气缸容积密度是指单位体积或重量动力机的最大气缸容积，现有的连杆-曲轴动力机气缸长度和直径受曲轴直径和压缩比的限制，气缸只能单极排列，连杆-曲轴结构及其运动占据大量的空间体积，以及为了克服曲轴运动时振动而必需的其他平衡设计等因素，这类动力机只能拥有很小的气缸容积；而本发明可采用平行对置的多气缸排列方式，各气缸排列更加紧凑，气缸的直径和长度可以自由设计，连杆的运动在气缸内完成，连杆、齿轮的所需的空间小，且无需过多的平衡设计，气缸容积密度可以达到现有动力机气缸容积密度的数倍以上。并且整个动力机的体积可以做得更小。
3.大幅度提高了气缸的工作效率：本发明的动力机采取二冲程工作方案和工作冲程采取连续供油供气持续燃烧做功的工作模式，所以能大幅度提高气缸的工作效率。
4.大幅度提高动力机的功率密度：动力机的功率密度为单位体积或重量动力机的最大功率，与动力机能源转换率、气缸容积密度、气缸工作效率等成正比，由上述几点分析可知，本发明动力机的能源转换率、气缸容积密度、气缸工作效率均有大幅度提高，所以，其功率密度也随之大幅度提高，可达到现有动力机的十倍甚至数十倍之多，可与涡轮动力机的功率密度相当。
5.便于建造从微型到超大型的动力机：本发明设计的动力机结构消除了现有动力机连杆-曲轴结构存在的弊病，具有极高的能源转换率、气缸工作效率、气缸容积密度、功率密度以及气缸的长度和直径选择可以根据需要自由设计，并且可以设计为两缸动力机或者是偶数个的多缸动力机，因此，可以非常方便地设计、制造出各种尺寸、不同功率、满足各种情况要求的动力机，包括内燃式动力机，水力式动力机和蒸汽动力机等，比如大型发电厂、大型运输工具、高性能微型飞行器等的动力机。
附图说明
附图1为本发明活塞以及连杆、齿轮连接结构示意图；
附图2为本发明活塞以及连杆、齿轮横截面结构示意图；
附图3为本发明实施例一结构示意图；
附图4为本发明实施例二结构示意图；
附图5为附图4中A部放大结构示意图；
附图6为带有刹车组件的齿轮、单向轴承横截面结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例及附图对本发明结构原理作进一步详细描叙：
本发明揭示的是一种具有更高能源转换率、气缸工作效率、气缸容积密度、功率密度以及气缸的长度和直径选择可以根据需要自由设计的动力机，该动力机最大改进之处为摒弃了现有连杆-曲轴形式的直线运动转圆周运动的结构，提出了一种全新的结构方案，该结构包括动力机缸体1以及安装于缸体1内的活塞组件2，该活塞组件2包括位于两端对称安装的活塞21，活塞21固定于连杆22两端，在连杆22上设置有沿活塞运动方向布置的齿条23以及与齿条23啮合的齿轮24，齿轮24通过单向轴承25固定于动力机动力输出轴26上。当活塞21连同连杆22、齿条23在缸体1内滑动时，如果齿条23移动方向与单向轴承25锁死方向一致时，齿条23驱动齿轮24转动形成输出动力；当齿条23移动方向与单向轴承25锁死方向相反时，齿轮24与输出轴之间则无动力输出。详细如附图1所示。
由于活塞21在缸体1内是往复直线运动，为了使活塞21在往复时都能形成动力输出，所述的齿条23以及齿轮24至少包括两对，两齿条23上下平行布置，且两齿条23在竖直面上错位分布，两齿轮24位于两齿条23之间且同轴心安装，两齿轮24分别与两齿条23对应啮合，固定两齿轮23的两单向轴承25同方向锁死。详细如附图2所示。在该结构下，无论活塞21向哪个方向移动，都会驱动其中一齿轮产生有效的移动，从而使输出轴能持续地转动连续的输出动力。
再如附图3所示为本发明具体实施方式一的发动机结构示意图。该发动机采用了上述附图2的活塞组件2结构，在活塞组件2的活塞21与缸体1内端面之间为燃烧室，在燃烧室内壁设置有进气孔、排气孔以及进油孔，同时，在活塞组件2与缸体1之间设置有防止活塞组件2移动超出范围的定位组件3。该定位组件3包括设置于活塞组件2上的定位卡31以及两个设置于缸体1上的定位开关32，两定位开关32距离与活塞组件2行程一致。
该实施方案为内燃机结构，在供油供气方面可以采用连续供油、供气方式进行连续供油供气，不但能极大提高气缸的工作效率，更能使气缸的长度和直径的设计克服现有内燃机空气压缩比的限制要求，如果结合涡轮内燃机增压方式进行供油供气，则可以极大地提高内燃机的工作效率。
再如附图4～6所示为本发明具体实施方式二的动力机结构示意图。该动力机为水力或者蒸汽发动机，该发动机在活塞21与缸体1内端面之间为容纳高压气体或者高压水流的容纳腔，在容纳腔内壁设置有进口、出口，进口连通压力水流或高压蒸汽，在连杆两端朝齿轮方向均设置有刹车组件4，防止活塞组件2在运动过程中受到过大的冲击。该刹车组件4包括一弧形刹车片41，刹车片41与设置于齿轮24上的台阶圆周面42对应，弧形刹车片41通过活动轴43以及驱动刹车片41恢复初始状态的弹簧44安装于缸体1上，在连杆22内两端安装有用于将刹车片41推向齿轮方向的推杆45，推杆45通过弹簧46实现缓冲。当连杆22移动至齿轮24靠近连杆22端部时，推杆45推动活动轴43以及刹车片41向台阶圆周面42靠近进而使刹车片41与台阶圆周面42发生摩擦，阻止齿轮继续旋转，从而也使齿条23和连杆22不再移动，起到连杆22、齿条23限位的作用。
上述实施例可视为一个基本的功能单元，在同一根输出轴上可以叠加成多缸动力机(气缸数量为偶数个)。由于输出轴不会逆向影响齿轮，因此多缸形式的动力机时可以根据负载需要方便地控制相应数量的气缸工作，使动力机始终处于最佳工作状态。
上述实施例仅为本发明的较佳的实施方式，除此之外，本发明还可以有其他实现方式。也就是说，在没有脱离本发明构思的前提下，任何显而易见的替换均应落入本发明的保护范围之内。