CN100507232C - 进气管和排气管共用的空气预加热微型自由活塞发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及内燃机领域，其包括：喷油器、燃烧室、发动机缸、活塞、空气燃料混合室、负载及反弹装置、连接管，其特征是换气管作为进气部件、排气部件和空气预加热部件，活塞除起到普通活塞的作用外还作为空气和燃料的压缩部件和废气的扫气部件，喷油器固定在空气燃料混合室上，换气管固定在发动机缸上，连接管连接燃烧室和空气燃料混合室，换气管与发动机缸连接处即a点较连接管与发动机缸连接处即b点距离燃烧室侧壁更近。换气管由许多渐放的小管组成。其优点是：极大的简化了发动机的结构，对降低NOx排放有显著效果，有较高的效率。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机领域，特指一种为便携式电源系统提供动力的进气管和排气管共用的空气预加热微型自由活塞发动机。
背景技术
目前便携式电子产品的快速发展，对便携式电源能量密度的要求越来越高。在各种研究方案中，以内燃机为源动力来带动发电机发电的方案得到了广泛的认可。目前，以微型内燃机为源动力的便携式发电系统在国际上已经展开研究。其出发点都是从常规的大型发动机出发，然后将其缩小到微观级。在这些方案中，为了使缩小的系统正常工作，必须保留原系统的大部分零部件，也就保留了原系统的三维结构，这给微观制造带来了极大的困难，甚至有些是不可能用现有的微机械制造工艺方法实现，特别是使用了复杂的气门机构，使得其微小版本更难以设计和制造。
随着发动机控制技术的发展，HCCI燃烧技术在内燃机节能和降低排放方面的潜力引起了内燃机界的高度关注，美国、欧洲和日本的一些研究机构和企业都大力开展这一领域研究工作，HCCI被认为是发动机燃烧技术的一个重大进步。与传统的火花点火发动机相比，HCCI方式采用均匀的空气与燃料混合气，但用压燃代替火花塞点火，与传统的柴油机相比，HCCI方式采用压燃着火，但混合气充量是均质的。试验证明这种燃烧方式具有较高热效率、低NOx和PM排放等优点，但是这种设备需要预先制造混合气，这就要增加一套预混合气的制备系统，如论文SAE1999-01-0181描述了一种混合气形成装置，采用电加热装置预先将燃油加热蒸发，然后与进气道内的空气进行混合，形成混合气进入发动机燃烧室，再如专利200420062425.7：“一种均质压燃燃烧方式的混合动力装置”。与此同时为了使混合气更容易压缩自燃，还需要对进气加温或增压等手段来提高缸内混合气的温度和压力，这也会增加装置的复杂性，如专利US7017561：“Control strategy for expanding diesel HCCI combustion range by loweringintake manifold temperature”。
发明内容
为了避免和克服上述不足，本发明的目的是提供一种进气管和排气管共用的空气预加热微型HCCI自由活塞发动机。
实现本发明的技术方案为：
进气管和排气管共用的空气预加热微型HCCI自由活塞发动机包括：喷油器、燃烧室、发动机缸、自由活塞、空气燃料混合室、负载及反弹装置、连接管，其特征是换气管作为进气部件、排气部件和空气预加热部件，自由活塞除起到普通活塞的作用外还作为空气和燃料的压缩部件和废气的扫气部件，喷油器固定在空气燃料混合室上，换气管固定在发动机缸上，连接管连接燃烧室和空气燃料混合室，换气管与发动机缸连接处即a点较连接管与发动机缸连接处即b点距离燃烧室侧壁更近。换气管由许多渐放的小管组成。
本发明所述的进气管和排气管共用的空气预加热微型HCCI自由活塞发动机的每个小管的横截面可为各种形状，优选结构紧凑的正六边形。
本发明所述的进气管和排气管共用的空气预加热微型HCCI自由活塞发动机的整个换气管均由导热率较高、蓄热能力较强的材料作成。
本发明所述的进气管和排气管共用的空气预加热微型HCCI自由活塞发动机的基本思想可应用于单活塞单燃烧室的发动机、单活塞双燃烧室的发动机、双活塞单燃烧室的发动机、三燃烧室的发动机等机型，主要针对微型发动机而设计，对大型发动机也有一定的借鉴作用。
本发明的优点是：
(1)换气管作为进气部件、排气部件和空气预加热部件，自由活塞除起到普通活塞的作用外还作为空气燃料的压缩部件和废气的扫气部件，空气和燃料直接在空气燃料混合室内混合，极大的简化了发动机的结构。
(2)换气管能对空气进行预加热，提高了进气温度。
(3)起到扫气作用的自由活塞有利于提高发动的效率。
(4)采用HCCI的燃烧方式，具有较高热效率、低NOx和PM排放等优点。
(5)该原理应用于活塞发动机上，负载的大小直接影响活塞运动的频率，当负载大时，活塞运动的频率也变慢，当负载小时，活塞运动的频率也变快，这样就使得进气和喷油时间也相应的变长、变短，有利于发动的工作。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例中换气管的结构示意图。
图3是本发明实施例中图2的A-A剖视图。
图4～图9是本发明实施例的工作过程示意图。
图10是单活塞双燃烧室发动机的结构示意图。
图11是双活塞单燃烧室发动机的结构示意图。
图12是三燃烧室发动机的结构示意图。
如图所示，图中标号分别代表：1.燃烧室2.发动机缸3.换气管4.自由活塞5.喷油器6.空气燃料混合室7.负载及反弹装置8.连接管9.小管10.分隔环11.同步装置。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中的喷油器(5)固定在空气燃料混合室(6)上，换气管(3)固定在发动机缸(2)上，连接管(8)连接燃烧室(1)和空气燃料混合室(6)，换气管(3)与发动机缸(2)连接处靠近燃烧室(1)的a点要前于连接管(8)与发动机缸(2)连接处靠近燃烧室(1)的b点。
如图2所示，本实施例中的换气管(3)由许多渐放的小管(9)组成，整个换气管(3)均由导热率较高、蓄热能力较强的材料作成。
如图3所示，本实施例中每个小管(9)的横截面为正六边形。
下面结合图4～图9详细说明本实施例的工作过程，各图中发动机下面的箭头方向表示自由活塞(4)的运动方向，发动机内箭头的方向表示空气或废气流动的方向。
如图4所示，自由活塞(4)向左运动，压缩新鲜可燃气，自由活塞(4)速度逐渐降。
如图5所示，自由活塞(4)速度逐渐降至停止，这时自由活塞(4)把动能完全传递给可燃气，可燃气得到自由活塞(4)的动能后内能开始增加，到达一定的状态后开始燃烧，与此同时，自由活塞(4)在向左运动过程中，空气燃料混合室(6)形成负压，当自由活塞(4)的右端经过换气管(3)时，大气中的新鲜空气就经由换气管(3)流进空气燃料混合室(6)中，同时喷油器(5)喷射燃料，与新鲜空气形成预混合气，由于上一个循环排废气时在换气管(3)中储存了大量的热，所以新鲜空气在经过换气管(3)的过程中得到了加热。
如图6所示，燃料气体放出大量的化学能，高温燃烧后气体迅速膨胀，推动自由活塞(4)反向运动，自由活塞(4)反向运动，对负载和反弹装置(7)做功，同时负载和反弹装置(7)吸收活塞(4)的动能。
如图7所示，自由活塞(4)向右运动，当自由活塞(4)经过换气管(3)时，燃烧废气排出。
如图8所示，自由活塞(4)继续向右运动，空气燃料混合室(6)中的预混合气被压缩，当自由活塞(4)经过连接管(8)时，空气燃料混合室(6)中的空气就被自由活塞(4)压到燃烧室(1)中，压到燃烧室(1)中的预混合气进一步排除燃烧室中的废气，从而完成扫气工作和补充新鲜可燃气的工作。
如图9所示，当自由活塞(4)把能量完全传递给负载和反弹装置(7)后，反弹装置推动自由活塞(4)向左运动，进行下一个循环。
下面结合图10～图12进一步说明本实施例在其它几种机型中的应用。
如图10所示，是在单活塞双燃烧室发动机中的应用。在两个燃烧室(1)中间用一个分隔环(10)隔开，两个燃烧室(1)间用一个自由活塞(4)传递能量。这种发动机没有反弹装置，两个燃烧室(1)中，不工作的燃烧室就当作工作的燃烧室的反弹装置使用。这种装置每个冲程都是做功冲程，效率极高。
如图11所示，是在双活塞单燃烧室发动机中的应用。这种形式的发动机有一个燃烧室(1)，两个反向同步运动的自由活塞(4)对称布置在燃烧室(1)的两边，两个活塞通过同步装置(11)来达到同步运动，两套负载和反弹装置(7)对称布置在发动机的最外侧，如果自由活塞(4)的质量相等，运动同步反向，这种发动机理论上不会产生向外的震动。
如图12所示，是在三燃烧室发动机中的应用。这种发动机是单活塞双燃烧室发动机和双活塞单燃烧室发动机的结合，同时具有两者的优点。
Claims (4)
1、进气管和排气管共用的空气预加热微型自由活塞发动机，包括：喷油器(5)、燃烧室(1)、发动机缸(2)、自由活塞(4)、空气燃料混合室(6)、负载及反弹装置(7)、连接管(8)，其特征是换气管(3)作为进气部件、排气部件和空气预加热部件，自由活塞(4)既是普通活塞还是空气和燃料的压缩部件以及废气的扫气部件，喷油器(5)固定在空气燃料混合室(6)上，换气管(3)固定在发动机缸(2)上，连接管(8)连接燃烧室(1)和空气燃料混合室(6)，换气管(3)与发动机缸(2)连接处即a点较连接管(8)与发动机缸(2)连接处即b点距离燃烧室(1)侧壁更近，换气管(3)由许多渐放的小管(9)组成。
2、根据权利要求1所述的进气管和排气管共用的空气预加热微型自由活塞发动机，其特征在于：组成换气管(3)的每个小管(9)的横截面为正六边形。
3、根据权利要求2所述的进气管和排气管共用的空气预加热微型自由活塞发动机，其特征在于：整个换气管(3)均由导热率较高、蓄热能力较强的材料作成。
4、根据权利要求1所述的进气管和排气管共用的空气预加热微型自由活塞发动机，其特征在于：所述自由活塞发动机包括单活塞单燃烧室的发动机、单活塞双燃烧室的发动机、双活塞单燃烧室的发动机、三燃烧室的发动机。
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