CN103423022A

CN103423022A - 一种转子式外燃机气缸及转子式外燃机

Info

Publication number: CN103423022A
Application number: CN2013103184106A
Authority: CN
Inventors: 范宝伟; 潘剑锋; 潘振华; 唐爱坤; 薛宏
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2033-07-26
Also published as: CN103423022B

Abstract

本发明是基于气动原理发明的一种新型外燃机，属于动力机械系统的外燃机领域。本发明的外燃机气缸包括缸体，所述的缸体上设有进气管和排气管，所述的缸体内部还包括三角形转子；所述的三角形转子与缸体内壁接触；三角形转子与缸体形成工作室，所述工作室为动态密闭空间；所述排气管有两个，包括一次排气管和二次排气管。本发明提供了一种转子式外燃机，使其在综合现有外燃机的优点，同时可以满足高功率输出和大范围无极变速的要求。

Description

一种转子式外燃机气缸及转子式外燃机

技术领域

本发明属于动力机械系统的外燃机领域，是基于气动原理发明的一种新型外燃机。

背景技术

外燃机也称为外燃式发动机，它与内燃机虽然都是利用燃料的内能来转化为机械能，但是它们的工作方式却有很大的不同。其中内燃机是将燃料和空气混合物在气缸内燃烧来把产生的热能直接转化为机械能的，而外燃机是将在外部燃烧室中燃烧得到的高温高压燃烧产物直接通入外燃机中，使燃烧产物膨胀并且把其动能同时转化为机械能，或者是利用燃烧产物来加热循环的工质(如蒸汽动力装置中利用燃气加热水)，使工质膨胀做功转化为机械能，这些做功方式的动力装置称为外燃动力装置或称外燃机。

由于外燃机被广泛用于鱼雷、轻型水下潜水器等在水下运行装置的动力，根据鱼雷、轻型水下潜水器等这些装置运行的要求，外燃机应该同时满足高效率、高功率和无极变速的要求。下面以鱼雷为例来说明为什么外燃机必须同时满足上述三种要求。众所周知，鱼雷之所以采用外燃机主要是因为水下无法给内燃机提供燃料燃烧所需的氧化剂，即无法使用内燃机。而航程远是现代鱼雷的基本要求之一，那么就要求使用外燃机的鱼雷不但要携带大量的燃料还要携带足量的氧化剂，这对于内部空间极为有限的鱼雷来讲是不容易实现的，因为如果太多燃料占据了其内部的大部分空间，那么它所能携带的战斗部分就会减少，从而威力大大减小，所以必须提高发动机的效率。同时为了鱼雷打击的效能，鱼雷必须同时满足高速和无极变速的要求，这样鱼雷在距离目标较远的时可以不断改变航速已达到躲避侦查的目的，同时接近目标后要以高速运行，提高打击效果，所以要满足高功率和无极变速的要求。

目前已有的外燃机中，斯特林发动机由于结构比较复杂，比功率较低等缺点而没有广泛应用，而应用最广泛的发动机是活塞和涡轮这两类发动机，比如国内外众多热动力鱼雷大多都采用活塞式外燃机或涡轮发动机。但是这两种发动机也有其自身的缺陷，主要表现在高功率和无级变速之间的矛盾，其中活塞式外燃机可以大范围的无级变速，但活塞式外燃机的功率输出有限，无法满足高速下的功率要求，为了满足这一功率就要求必须发展涡轮发动机，活塞式外燃机已很难满足要求。而涡轮发动机也有其自身的缺陷，虽然它可以满足鱼雷高航速对高功率的要求，但涡轮发动机动力系统实现大范围无级变速时机构和经济性下降明显，因此它只适合小范围的无级变速，无法满足大范围无级变速的要求。综上所述，现有的外燃机虽然在结构上进行了大量的优化和改进，但都因为发动机自身结构和工作方式，限制了其在某些方面的突破，如活塞式外燃机输出功率有限，而涡轮发动机的主要缺点则是其无法满足大范围无级变速的要求。

为了克服现有外燃机的上述缺点，人们通过不断地改进发动机的一些运行方式及结构参数，如改变活塞式外燃机的工作室形状，改变涡轮发动机叶栅形状等等，但终究因为现有发动机自身的结构和工作方式的限制，使它们的效率提高程度有限，无法从根本解决现有外燃机无法同时满足高效率、高功率和无极变速要求的缺点。

中国专利号：201220001639.8，公开日：2012年11月21日，公开了一份名称为液体活塞外燃机的专利文件，该实用新型公开了一种液体活塞外燃机，包括气液缸、液压动力机构、液体工质回送系统和锅炉，所述气液缸经气体工质控制阀与所述锅炉的蒸气出口连通，在所述气液缸上设排气口，在所述排气口处设排气控制阀，所述气液缸上设液体工质出口和液体工质回流口，所述液体工质出口与所述液压动力机构的动力液体入口连通，所述液压动力机构的液体出口与所述液体工质回送系统连通，所述液体工质回送系统与所述液体工质回流口连通。该实用新型省略了发动机的活塞曲柄连杆机构，具有效率高、体积小、重量轻等优势。但是该实用新型因为自身的结构和工作方式的限制，输出功率仍然有限，不能满足高功率输出。

中国专利号：99816745.2 ，公开日：2002年06月05日，公开了一份名称为提高效率的涡轮发动机的专利文件，该涡轮发动机具有一个转子和一个流体流动通道，该流体流动通道延伸通过压缩、燃烧和膨胀或涡轮阶段，其中流体流经流体流动通道而对转子进行驱动。涡轮发动机具有一个或多个定子-转子-定子组件并使用一个具有涡轮叶片的平转子盘。在燃烧期间捕获流体从而能升高温度和压力且同时在燃烧期间将流体保持在接近于定容的状态。流体被多次重新进入到转子中从而使得涡轮发动机的移动部件周期性地暴露给发动机循环的不同部分，为了减低部件的平均温度因而允许有更高的压缩比率和燃烧温度。但是该发明无法满足大范围无级变速的要求。

发明内容

、要解决的问题

针对现有外燃机无法从根本解决现有外燃机同时满足高功率输出和大范围无极变速要求的问题，本发明提供了一种转子式外燃机，使其在综合现有外燃机的优点，同时可以满足高效率、高功率输出和大范围无极变速的要求。

、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种转子式外燃机气缸，包括缸体，所述的缸体上设有进气管和排气管，所述的缸体内部还包括三角形转子；所述的三角形转子与气缸内壁接触；三角形转子与缸体形成工作室，所述工作室为动态密闭空间；所述排气管有两个，包括一次排气管和二次排气管。

优选地，所述的进气管的管口位于缸体短轴线逆时针旋转0~45的范围内。

优选地，所述的进气管的中心线与缸体长轴线所形成的夹角范围为10~40。

优选地，所述的一次排气管管口与缸体短轴线所形成的夹角范围为30~45；所述的二次排气管管口与缸体长轴线所形成的夹角范围也为30~45。

本发明基于以下几个方面的机理：（1）转子式外燃机的工作原理和活塞式外燃机基本相同，都是使高温高压的燃烧产物在其内部膨胀做功来转化为机械能的，具体到本发明，是通过控制进气压力和进气口截面积，控制进入发动机内部的高温高压燃烧产物的量，从而实现大范围的无极变速；（2）转子式外燃机继承了转子发动机（内燃机）曲轴转一圈燃烧室做三次功，具体到本发明，采用一次进气和二次排气的设计，这样外燃机转子转一圈，高温高压工质可以三次通入气缸，做三次功，从而实现高功率输出；（3）本发明的效率要高于活塞式外燃机，如图3、图4所示，假设工质为理想气体，两种发动机排量，压缩比均相同，转子发动机一次排气时缸内温度以及工质质量都与往复机排气时相同。由理想气体状态方程：PV=NRT可知：转子发动机的从进气到一次排气即第一次做功过程和活塞式外燃机的整个做功过程基本一样，这样可以近似的认为，转子发动机由（A）到（E）的工作过程中P-V曲线变化与往复式活塞式外燃机基本一致。但是转子发动机采用二次排气，比往复式发动机多出了（E）到（H）的过程，这个过程内又向外输出了一部分功。所以从两种发动机热力过程的P-V图可以明显的看出，转子发动机单缸工作时，其P-V曲线封闭区域的面积要比活塞式外燃机大，做功多，即转子式外燃机的工作效率比活塞式外燃机及涡轮机的效率有了很大提高。

、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

（1）本发明采用一次进气和二次排气的设计，这样外燃机转子转一圈，可以高温高压工质可以三次通入气缸，做三次功，从而实现高功率输出；

（2）本发明工作原理和活塞式外燃机基本相同，都是使高温高压的燃烧产物在其内部膨胀做功来转化为机械能的，因此通过控制进气压力和进气口截面积，就可以合理的控制进入其内部的高温高压燃烧产物的量，来实现无极变速；

（3）本发明由于采用二次排气方案，工作过程中做两次功，而活塞发动机的一次做功，于是在相同的工况下，本发明的输出功高于活塞发动机，所以其效率也要高于活塞发动机。

（4）本发明所述的进气管管口位于缸体短轴线逆时针旋转0~45的下表面，即进气口的位置位于转子运动的上止点附近，可以有效提高发动机膨胀做功的能力；

（5）本发明所述的进气管的中心线与缸体长轴线所形成的夹角范围为10~40，可以使气流可以平顺的进入工作室中做功，提高工作效率；

（6）本发明所述的一次排气管管口与缸体短轴线所形成的夹角范围为30~45；所述的二次排气管管口与缸体长轴线所形成的夹角范围也为30~45，两个排气口管道的角度不限，可以保证排气口排气时，使工质膨胀完全。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是转子式外燃机气缸工作过程示意图；

图3是转子式外燃机气缸工作过程P-V图；

图4是活塞式外燃机气缸工作过程P-V图；

图5是本发明的结构示意图。

图中标号说明：

1、缸体；2、三角形转子；3、工作室；4、进气口；5、一次排气口；6、二次排气口。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例 1

如图1、图2以及图5所示，一种转子式外燃机气缸，包括缸体1，缸体1上设有进气管4和排气管，缸体1内部还包括三角形转子2；三角形转子2与气缸内壁接触；三角形转子2与缸体1形成工作室3，该工作室3为动态密闭空间；排气管有两个，包括一次排气管5和二次排气管6；进气管4进气口压力为10MPa；所述的进气管4直径为40mm。另外进气管4的管口位于缸体1短轴线逆时针旋转20的位置，进气管4的中心线与缸体长轴线所形成的夹角为25。一次排气管5管口与缸体短轴线所形成的夹角为40；二次排气管6管口与缸体长轴线所形成的夹角范围也为40。

本发明中转子式外燃机采用一次进气和二次排气方案，以此获得更高的输出功，为了清楚的说明其工作原理，现选取其中的一个工作室（箭头标记的工作室）来说明。转子发动机和往复式发动机的做功原理相同即都是使高温高压的工质的内能在发动机内部膨胀做功转化为机械能，但是其工作方式不同，往复式发动机采用一次进气一次排气过程，而转子发动机采用一次进气二次排气的做功过程，具体工作循环为：（A）到（B）是进气过程，（B）到（C）是膨胀过程，（C）到（D）一次预排气过程，（D）到（F）是一次排气过程，（F）到（G）是二次膨胀过程，仍然能输出一定大小的功，（G）到（H）是二次排气过程。

实施例 2

同实施例1，所不同的是进气口压力为25MPa，直径为50mm进气管4管口位于缸体正下方，即短轴线处，进气管4的中心线与缸体长轴线所形成的夹角为10。一次排气管5管口与缸体短轴线所形成的夹角为30；二次排气管6管口与缸体长轴线所形成的夹角也为30。

实施例 3

同实施例1，所不同的是进气口压力为50MPa，直径为60mm进气管4管口位于缸体短轴线逆时针旋转45的位置，进气管4的中心线与缸体长轴线所形成的夹角为40。一次排气管5管口与缸体短轴线所形成的夹角为45；二次排气管6管口与缸体长轴线所形成的夹角也为45。

Claims

1.一种转子式外燃机气缸，包括缸体（1），所述的缸体（1）上设有进气管（4）和排气管，其特征在于：所述的缸体（1）内部还包括三角形转子（2）；所述的三角形转子（2）与缸体（1）内壁接触；三角形转子（2）与缸体（1）形成工作室（3），所述工作室(3)为动态密闭空间；所述排气管有两个，包括一次排气管（5）和二次排气管（6）。

2.根据权利要求1所述的一种转子式外燃机气缸，其特征在于：所述的进气管（4）的管口位于缸体（1）短轴线逆时针旋转0~45˚的范围内。

3.根据权利要求1所述的一种转子式外燃机气缸，其特征在于：所述的进气管（4）的中心线与缸体长轴线所形成的夹角范围为10˚~40˚。

4.根据权利要求1所述的一种转子式外燃机气缸，其特征在于：所述的一次排气管（5）管口与缸体短轴线所形成的夹角范围为30˚~45˚；所述的二次排气管（6）管口与缸体长轴线所形成的夹角范围也为30˚~45˚。

5.一种转子式外燃机，其特征在于：包括权利要求1-4中任意一项所述的转子式外燃机气缸。