CN103993955A - 往复蓄热式内燃机 - Google Patents

Abstract

该往复蓄热式内燃机包括压缩气缸、蓄热体、连通管、燃烧室和膨胀气缸，其结构要点在于所述蓄热体位于连接压缩气缸和膨胀气缸的连通管的通道中。基本工作原理是当压缩气缸活塞从上止点向下运动时，压缩气缸上的进气门打开，空气从外界吸入，当压缩气缸压缩空气时，进气门关闭，经过压缩的空气流过蓄热体加热，进入燃烧室，随着燃料喷入与高温压缩空气燃烧，进入膨胀气缸，膨胀气缸的活塞从上止点下行，燃气膨胀做功。当膨胀气缸活塞上行时，排气门打开，做功后的燃气从膨胀气缸出来，反向路过燃烧器以及蓄热体，加热蓄热体并降低自身燃气温度，从蓄热体流出后从排气门排出，完成了一个动力循环。

Description

往复蓄热式内燃机

技术领域

本发明涉及发动机，是一种往复蓄热式内燃机。 

背景技术

发动机一般指的是热机，是一种将燃料或者其他能源转化为发动机内部工质的热能，并进一步转化为机械能的动力装置。内燃机是一种传统的，利用非常广泛的发动机，在工业，交通运输等行业领域有着重要应用。顾名思义，内燃机是一种燃料在气缸内部燃烧做功，最常见的是汽油机和柴油机。由于燃料燃烧是在短时间、间歇式等限制条件下进行的，造成燃料燃烧不充分，尾气污染严重，变工况效率差，发动机磨损，维护成本高，对燃料质量要求高，爆燃以及噪音振动等许多缺点。内燃机目前是一种相对成熟的技术，但其发展由于受到上述缺点影响而受到一定限制。 

常见的汽油机和柴油机都是四冲程发动机，一个动力循环经过进气，压缩，膨胀做功和排气四个过程。两者最大区别在于汽油机是点燃式发动机，柴油机是压燃式发动机。汽油机比较轻巧，高的功率密度以及转速高等优点，但由于是点燃式，使得发动机压缩比不能过高，压缩过程中有爆燃的可能性，对燃料的辛烷值要求高，而且汽油机的效率相对于柴油机较低。柴油机是压燃式的，压缩冲程使得压缩空气的温度足够高，能够点燃喷入的燃料，高的压缩比使得发动机整体比较笨重。并且柴油机的燃烧过程以扩散燃烧为主，燃烧并不充分，有较多碳颗粒排放，对大气污染较重。 

设计一种轻巧、高效率、低污染发动机在能源紧缺的时代有着重大意义。 

发明内容

为了克服汽油机效率低，柴油机笨重以及内燃机普遍的污染严重，变工况效率低，噪声振动严重等问题，本发明提出了一种往复蓄热式内燃机。 

该往复蓄热式内燃机包括压缩气缸、连通管、蓄热体、燃烧室和膨胀气缸，其结构要点在于压缩气缸排气口通过连通管与膨胀气缸相连。所述连通管与膨胀气缸相连的接口同时作为膨胀气缸的进气口和排气口，此处称为膨胀气缸的进排气口，即当膨胀气缸活塞向下止点运动时，工质气体从所述进排气口进入，当膨胀气缸活塞向上止点运动排气时，工质气体从所述进排气口流出。所述的蓄热体为具有多孔通道的蓄热介质，能够对流经其多孔通道中的热气进行往复间歇的吸热、放热。蓄热体直接放置在所述的连通管中。蓄热体与膨胀气缸之间的连通管中设置燃烧器，并有相应的燃料喷嘴和火花塞。此外还可以利用膨胀气缸的气缸腔体作为燃烧室，并有相应的燃料喷嘴和火花塞。所述两种燃烧室也可以同时布置。所述的压缩气缸设置进气门，可以从外界吸入气体工质。所述压缩气缸与蓄热体之间的连通管上设置有排气门，排出燃烧膨胀做功后的工质。 

该往复蓄热式内燃机的基本工作原理是当压缩气缸活塞从上止点向下运动时，此时排气门关闭，压缩气缸上的进气门打开，空气从外界吸入，当压缩气缸活塞上行，压缩空气时，进气门关闭，经过压 缩的空气从压缩气缸的排气口流出，进入连通管道，流入蓄热体。空气流经蓄热体的多孔通道同时，与蓄热体发生热交换。在正常工况下，蓄热体温度比从压缩气缸出来的空气高，此时蓄热体将向压缩空气传递热量，表现为压缩空气温度上升，蓄热体本身温度下降。从蓄热体流出的空气进入燃烧室，与喷嘴出来的燃料混合燃烧成为高温燃气，高温燃气通过膨胀气缸的进排气口进入。膨胀气缸活塞向下止点运动，高温燃气膨胀做功。当膨胀气缸活塞向上止点运动时，排气门打开，即膨胀后的燃气从膨胀气缸的进排气口排出，反向经过燃烧室，此时的燃烧室已经停止了喷射燃料。燃气进而再反向流经蓄热体，此时燃气的温度高于蓄热体介质的温度。当燃气流经蓄热体多孔通道时，与蓄热体介质发生热交换，热量从燃气传递给蓄热体介质，表现为燃气温度降低，蓄热体温度升高。从蓄热体反向流出的燃气从排气门排放到外界环境中，完成了一个动力循环。 

所述的蓄热体的蓄热体介质通常为多孔陶瓷，金属波纹板以及金属丝网等，具有蓄热温度高，蓄热效果好，价格较低等优点。 

蓄热体与连通管管壁之间放置一定的绝热体，以减小蓄热体对外界的传热损失。 

改进方案：在压缩气缸出口与蓄热体之间连接一个冷却器。当压缩气缸压缩空气时，会产生较多的热量，用冷却器可以及时冷却，减少压缩机消耗的压缩功，并且可以隔绝温度较高的蓄热体对压缩气缸的影响。 

采用蓄热体后，提高了进入燃烧室的空气温度，降低了发动机排 出燃气的温度，因此大幅度提高了该往复蓄热式内燃机的热效率。此外，当发动机正常工作时，流出蓄热体的空气温度达到了燃料的着火点，喷入的燃料直接燃烧，不存在爆燃现象，发动机振动和噪声小，而且燃烧起始温度高，利于燃料的完全燃烧，减少污染。若在发动机启动阶段可以由火花塞点燃。发动机压比较小，整体重量轻。压缩气缸和膨胀气缸分开，使得膨胀过程更充分，提高了做功能力。 

从整体结构上看，该往复蓄热内燃机温度最高的膨胀气缸部分没有气门等运动部件，降低了气体流动过程中的节流损失，提高了结构的可靠性和使用寿命，同时也大幅降低了制造成本。 

该往复蓄热式内燃机采用的蓄热体的介质具有很大的比表面积，可以在蓄热载体表面附着一些催化剂，比如一般内燃机常用的尾气处理的三元催化剂，当燃气从膨胀气缸排出经过蓄热体时，由于催化剂的作用使得碳氢化合物，一氧化碳以及氮氧化物等污染物浓度大大降低。 

本发明相比于现有技术的优点是； 

有较高的热力循环效率以及功率密度；无爆燃现象，燃料适应性较好；结构简单，可靠性好；由于燃烧完全，并且方便内置催化剂，使得污染物排放降低；空气压比较小，发动机燃烧平稳，使得振动和噪声小；发动机的功率调节可以由燃料喷入量直接调节，避免了汽油机节气门的节气损失。 

附图说明

图1是本发明实施方案的结构原理图。 

图2是本发明改进方案的结构原理图。 

图3是压缩气缸、膨胀气缸与连通管连接示意图。 

图4是压缩过程中气体流动方向示意图。 

图5是排气过程中气体流动方向示意图。 

图中序号名称为：1、进气门，2、连通管，3、排气门，4、压缩气缸，5、压缩气缸活塞，6、蓄热体，7、燃烧室，8、燃料喷嘴，9、膨胀气缸活塞，10、膨胀气缸，11冷却器。 

具体实施方式

现结合附图，以具体实施为例对本发明做进一步说明。 

如图1所示，该往复蓄热式内燃机主要包括压缩气缸4、连通管2、蓄热体6、燃烧室7和膨胀气缸10。压缩气缸4、连通管2与膨胀气缸的连接方式如图3所示。压缩气缸4排气口与连通管2一端连接，连通管2另一端与膨胀气缸10的连接。连通管2与膨胀气缸10的连接口为膨胀气缸10的进排气口，即膨胀气缸10的气体进入和排出都通过此连接口。压缩气缸4上设置有进气门1。压缩气缸4排气口与连通管2相连，连通管2的另一端连接膨胀气缸10的进排气口。连通管道2从靠近压缩气缸4一侧到靠近膨胀气缸10一侧，依次设置有排气门3，蓄热体6，燃烧室7，包括燃烧室7上的燃料喷嘴8。蓄热体6为具有多孔通道的蓄热介质，在热力循环过程中有着间歇性的吸热放热作用。蓄热体6放在在连通管道2的管中间。 

工作过程为压缩气缸活塞5下行，进气门1打开，排气门3关闭，新鲜空气进入压缩气缸4。进气过程结束时，进气门1关闭，压缩气 缸活塞5上行压缩空气，压缩空气从压缩气缸排出进入连通管2，再流入蓄热体2中的多孔通道中，与蓄热体2的介质发生热交换，空气温度升高，蓄热体2的介质温度降低，压缩过程的气体流动方向如图4所示。经过加热后的压缩空气再进入燃烧室7，同时燃料通过燃料喷嘴8进入燃烧室，空气和燃料反应燃烧成为高温燃气，高温燃气通过膨胀气缸的进排气口进入膨胀气缸9，膨胀气缸活塞9下行，高温燃气膨胀做功。做功过程完成后，膨胀气缸活塞9上行，同时排气门3打开，温度较高的燃气通过膨胀气缸10的进排气口流出，反向通过燃烧室7，此时燃料喷嘴8已经关闭，燃气再反向进入蓄热体6的多孔通道中，加热蓄热体的介质，同时使得燃气自身温度冷却，最后燃气从排气门3中排向外界。排气过程气体流动方向如图5所示。 

蓄热体6的蓄热载体表面可以附着催化剂，当燃气从膨胀气缸10排出的时候，经过蓄热体6冷却的同时，由于催化剂的作用使得燃气中的未燃尽的碳氢化合物和一氧化碳，以及燃烧过程中产生的氮氧化物等污染物降低，才通过排气门3排出。 

压缩气缸活塞5和膨胀气缸活塞9的直线运动可以通过传统内燃机的曲柄连杆机构或者斜盘结构转化为旋转运动输出。发动机的功率调节可以直接根据需要调节燃料喷入量。 

改进方案：如图2，增加冷却器11，用来冷却压缩气缸4出来的压缩空气，同时隔绝温度较高的蓄热体6对压缩气缸4的影响。 

Claims (9)

1.一种往复蓄热式内燃机，其包括压缩气缸(4)、膨胀气缸(10)，压缩气缸(4)设有进气门(1)，其特征在于所述压缩气缸(4)的排气口与膨胀气缸(10)之间通过连通管(2)连通，膨胀气缸(10)与所述连通管(2)相连的接口作为膨胀气缸的进排气口，所述连通管(2)内放置对流经的气体进行往复间歇吸热、放热的具有多孔流道的蓄热体(6)，在蓄热体(6)与膨胀气缸(10)之间的连通管(2)中和/或膨胀气缸(10)中设置燃烧室(7)，燃烧室(7)设有相应的燃料喷嘴(8)和火花塞，在蓄热体(6)与所述压缩气缸(4)之间的连通管(2)上设置有排气门(3)。

2.根据权利要求1所述的往复蓄热式内燃机，其特征在于所述的蓄热体(6)的蓄热介质表面附着降低碳氢化合物，一氧化碳以及氮氧化物的催化剂。

3.根据权利要求1所述的往复蓄热式内燃机，其特征在于所述蓄热体(6)与连通管(2)的管壁之间由绝热层隔绝。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的往复蓄热式内燃机，其特征在于连通管(2)与膨胀气缸(10)的接口为所述膨胀气缸(10)的进排气口，即膨胀气缸(10)的进气和排气都通过此接口，进气和排气过程的流道相同，气流方向相反。

5.根据权利要求1～3任意一项所述的往复蓄热式内燃机，其特征在于该往复蓄热式内燃机的功率通过燃料喷嘴(8)的燃料量进行控制。

6.根据权利要求1～3任意一项所述的往复蓄热式内燃机，其特征在于在压缩气缸(4)排气口增设冷却器(11)，冷却器(11)的出口再连接连通管(2)。

7.根据权利要求1～3任意一项所述的往复蓄热式内燃机，其特征在于压缩气缸活塞(5)和膨胀气缸活塞(9)的直线运动通过曲柄连杆机构或者斜盘结构转化为旋转运动输出。

8.根据权利要求1所述的往复蓄热式内燃机，其特征在于所述的蓄热体(6)的蓄热介质为多孔陶瓷、金属丝网或者波纹板。

9.一种如权利要求1所述的往复蓄热式内燃机的工作原理，其特征在于该往复蓄热式内燃机的工作原理为：压缩气缸活塞(5)下行，进气门(1)打开，排气门(3)关闭，空气从外界进入压缩气缸，进气过程结束时，进气门(1)关闭，压缩气缸活塞(5)上行压缩空气，压缩空气进入连通管道(2)，接着进入蓄热体(6)的多孔流道中，蓄热体(6)对压缩空气放热，蓄热体(6)温度下降，压缩空气温度升高，压缩空气再进入燃烧室(7)，同时燃料通过燃料喷嘴(8)喷入燃烧室(7)，空气和燃料发生燃烧反应，高温燃气进入膨胀气缸(10)，膨胀气缸活塞(9)下行，高温燃气膨胀做功，做功过程完成后，膨胀气缸活塞(9)上行，同时排气门(3)打开，膨胀做功后的燃气从膨胀气缸(10)中流出，反向通过燃烧室(7)以及蓄热体(6)，加热蓄热体(6)，同时使得燃气自身温度降低，最后通过排气门(3)中排出。