CN101482056B - 吸热回能式内燃机 - Google Patents
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Abstract
吸热回能式内燃机。本发明涉及一种内燃机的冷却回能装置，具体是一种利用余热回收进行膨胀做功的改进的内燃机装置，属于内燃机技术领域。本装置的燃气气缸套在同轴向的高压气气缸内，同轴向的压缩气气缸反向设置在燃气气缸下方，并且压缩气气缸的活塞连杆和燃气气缸套的活塞连杆互成180°共同装在曲轴上，燃气气缸套的活塞及连杆与高压气气缸的活塞及连杆连成一体，压缩气气缸的排气口通过高压储气管连接到高压气气缸的进气口。本回能装置通过四个冲程的进行，可以将气缸壁和燃气剩余的热量大部分回收掉，内燃机的热效率可以提高大约30％。
Description
技术领域
本发明涉及一种内燃机的冷却回能装置，具体是一种利用余热回收进行膨胀做功的改进的内燃机装置，属于内燃机技术领域。
背景技术
现有的内燃机约有30％的热能通过废气排出，约35％的热能通过冷却系统的水带走，总计约近70％的热能是不能做功的，因此热能的转换效率是很低的。目前对于提高内燃机的热能的转换效率的研究很多，但已知的各种技术都较复杂，成本也较高，如何简单方便地利用这些热能来做功是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种吸热回能式内燃机，其结构较简单，制造成本较低，可吸收内燃机气缸壁和废气中的热量，实现节能的目的，内燃机的热效率可大幅提高。
解决本发明的技术问题所采用的方案是：该内燃机在现有的燃气内燃机的基础上进行改进，将原来的内燃机单一缸体变为直列式三个气缸构成，即燃气气缸套在同轴向的高压气气缸内，同轴向的压缩气气缸反向设置在燃气气缸下方，并且压缩气气缸的活塞连杆和燃气气缸套的活塞连杆互成180°共同装在曲轴上，燃气气缸套的活塞及连杆与高压气气缸的活塞及连杆连成一体，压缩气气缸的排气口通过高压储气管连接到高压气气缸的进气口。
在所述的燃气气缸与高压气气缸之间，安装了螺旋热气管，该管与燃气气缸的排气口连通，成为排气管。燃烧后的废气进入螺旋热气管内，经过高压气气缸后穿过缸壁将热气排出至大气，因此高压的冷空气可在高压气气缸得到来自燃气气缸壁和燃烧废气的热能，与燃气气缸中的燃气一起做功。
与传统的气缸原理相似，本装置的高压气气缸的进气口处也设置有高压进气阀，而排气口处设置有排气阀；在压缩气气缸的排气口处设置有压气单向阀，而在进气口处设置有进气单向阀。
本发明上述的高压储气管采用一系列平行的金属管连接成，并且压缩气气缸的压气总量体积与高压储气管总的空腔体积之比≥4，即空压比在4以上，因此可获得合适的热能回收效率。
所述的高压气气缸与压缩气气缸之间由机体外壳连接，机体外壳上设置有通气孔，可使本装置的结构更加紧凑，并且又可使高压气气缸和压缩气气缸的活塞运动阻力减小。本回能装置的压缩气气缸的缸壁上装有一系列散热片，可尽量使其产生的高压空气温度降低，从而提高高压气气缸的工作效率。燃气气缸套的活塞连杆与高压气气缸的活塞连杆采用同一根连杆，且用活塞销铰接在燃气做功活塞与高压气做功活塞相连的位置，使本装置结构紧凑，受力更佳。
为了增加高压气的冷却效果，本方案中内燃机主轴与安装正对高压储气管位置的风扇传动连接。
本发明的有益效果是：采用高压冷空气进行吸热膨胀做功来吸收内燃机气缸壁和废气中的热量，实现节能的目的。内燃机的热效率可以大幅提高，同时可不再使用水冷系统。降低生产成本。
附图说明
图1为本发明内燃机运动到上止点的结构示意图；
图2为本发明内燃机做功状态示意图；
图3为本发明内燃机运动到下止点的状态示意图。
图1中各标号依次表示：1、进气口，2、进气门，3、排气门，4、排气口，5、排气管接头，6、排气阀，7、高压储气管，8、高压进气阀，9、高压进气管，10、螺旋热气管，11、燃气做功活塞，12、活塞销，13、热气排气口，14、高压气做功活塞，15、做功活塞连杆，16、机体外壳，17、通气孔，18、曲轴，19、压气活塞连杆，20、压气活塞，21、散热片，22、压气活塞销，23、压气单向阀，24、高压进气管，25、进气单向阀，26、高压气气缸，27、燃气气缸，28、压缩气气缸，29、风扇。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
该内燃机在现有的内燃机的基础上进行改进，由单一的燃气气缸28变为直列式三个气缸构成，即燃气气缸27、高压气气缸26和压缩气气缸28。通过四个冲程的进行，可以将气缸壁和燃气剩余的热量大部分回收掉。
1.吸气冲程：燃气做功活塞11向下运动，进气门2打开，通过进气口1吸入空气。与此同时，与燃气做功活塞11相连的高压气做功活塞14也同时向下运动，高压进气阀8打开，吸入高压储气管7的高压空气，高压空气吸收燃气气缸27的缸壁和燃烧热气排气管的热量，膨胀做功，推动高压气做功活塞14向下运动做功。上方两活塞在向下运动时，通过活塞连杆15和曲轴18传递，压气活塞20向上运动，进入到吸气阶段，压气单向阀23关闭，进气单向阀25打开。运动到下止点，两个进气阀关闭，开始进入压缩冲程。
2.压缩冲程：燃气做功活塞11向上运动，进气门2和排气门3关闭。与此同时，高压进气阀8关闭，排气阀6打开，与燃气做功活塞11相连的高压气做功活塞14也同时向上运动，将高压空气膨胀做功后的废气通过排气阀6排出。上方两气缸在向上运动时，通过活塞连杆15，压气活塞20向下运动，进入到压气阶段，压气单向阀23打开，进气单向阀25关闭。空气通过高压进气管24被压入到高压储气管7中。
这里，高压储气管7由多根金属并列连接而成，其总的空腔体积为v＝nπr2l，r是高压储气管空腔内壁半径，l是高压储气管总长；压气总量V＝πR2L，，这里R为压气活塞半径，L为压气活塞行程。于是，空压比为ε＝V/v≥4，热能回收效率与空压比成正比。由于高压储气管管壁较厚，耐压能力较强，可防止漏气；由多根金属并列连接而成，可以及时散热，将压缩空气发出的热量及时散去，以保证高压气的温度较低，便于吸热膨胀做功。
3.做功冲程：运动到上止点，两个进气排气门关闭，燃气燃烧，进入做功冲程。燃气做功活塞11向下运动，燃气膨胀做功。与此同时，与燃气做功活塞11相连的高压气做功活塞14也同时向下运动，高压进气阀8打开，吸入高压空气，高压空气吸收气缸壁和热气排气管的热量，膨胀做功，推动高压气做功活塞14向下运动做功，这样上方两个活塞都在做功。上方两活塞在向下运动时，通过活塞连杆15，压气活塞20向上运动，进入到吸气阶段，压气单向阀23关闭，进气单向阀打开25。运动到下止点，两个进气阀关闭，开始进入排气冲程。
4.排气冲程：燃气做功活塞11向上运动，进气门2关闭，排气门3打开。燃烧后的热气由排气口4经排气管接头5进入到螺旋热气储气管10内，此时燃气的温度极高，使得金属的螺旋热气储气管10外壁的温度极高，为下一次高压冷气膨胀做功做好准备。与此同时，高压进气阀8关闭，排气阀6打开，与燃气做功活塞11相连的高压气做功活塞14也同时向上运动，将高压空气膨胀做功后的废气通过排气阀6排出。上方两气缸在向上运动时，通过活塞连杆15，压气活塞20向下运动，进入到压气阶段，压气单向阀23打开，进气单向阀25关闭。空气通过高压进气管24被压入到高压储气管7中，采用内燃机主轴直接带动风扇29对高压储气管进行强制风冷。
上述就是四个冲程的过程。通过这样的方式可以将气缸壁和燃气剩余的热量大部分回收掉。尽管压气活塞20向下运动要消耗能量，压缩空气发出的热量要尽快散去，采用散热片21和高压储气管7进行散热及风扇29对高压储气管进行强制风冷，成为高压冷气，但通过理论的估算，高压冷气吸热做功回收的能量大大高于压气活塞20向下运动所消耗的能量，内燃机的热效率可以提高30％。
Claims (5)
1.一种吸热回能式内燃机，其特征是：燃气气缸套在同轴向的高压气气缸内，同轴向的压缩气气缸反向设置在燃气气缸下方，并且压缩气气缸的活塞连杆和燃气气缸套的活塞连杆互成180°共同装在曲轴上，燃气气缸套的活塞及连杆与高压气气缸的活塞及连杆连成一体，压缩气气缸的排气口通过高压储气管连接到高压气气缸的进气口，燃气气缸的排气口连通装于燃气气缸与高压气气缸之间的螺旋热气管，再与高压气气缸壁上的热气排气口连通。
2.按权利要求1所述的吸热回能式内燃机，其特征是：高压气气缸的进气口处设置有高压进气阀，而排气口处设置有排气阀；在压缩气气缸的排气口处设置有压气单向阀，而在进气口处设置有进气单向阀。
3.按权利要求1所述的吸热回能式内燃机，其特征是：高压储气管为一系列平行的金属管连接成，并且压缩气气缸的压气总量体积与高压储气管总的空腔体积之比≥4。
4.按权利要求2或3所述的吸热回能式内燃机，其特征是：在高压气气缸与压缩气气缸之间由机体外壳连接，机体外壳上设置有通气孔；在压缩气气缸的缸壁上装有一系列散热片；燃气气缸套的活塞连杆与高压气气缸的活塞连杆采用同一根连杆，且用活塞销铰接在燃气做功活塞与高压气做功活塞相连的位置。
5.按权利要求4所述的吸热回能式内燃机，其特征是：内燃机主轴与安装正对高压储气管位置的风扇传动连接。
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