CN104594952B - 采用正时系统控制的温差发动机 - Google Patents

Abstract

一种采用正时系统控制的温差发动机，包括ECU、开关式热交换装置组合、专用气动马达、发动机正时系统。所述的开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门，由发动机正时系统进行控制。所述的专用气动马达是活塞式气动马达，所述的开关式热交换装置组合中的进气门、出气门安置在气缸的缸盖部位，换气门安置在远离缸盖一定距离的另一个方向上。本发明提出了一种利用发动机正时系统对温差发动机进行控制的技术方案。使用技术成熟的发动机正时系统有助于温差发动机的推广应用，可为节能减排、开发利用绿色能源、建设可持续发展的绿色工业文明做出贡献。

Description

采用正时系统控制的温差发动机

技术领域

本发明涉及发动机的技术领域，特别涉及一种程控开关式温差发动机(参见专利申请号201410058639.5)。

背景技术

程控开关式温差发动机利用温差产生动力，在节能和新能源领域有非常广泛的应用前景。但专利申请号201410058639.5所提出的程控开关式温差发动机采用电磁阀对发动机进行控制，电磁阀在高温下会发生磁力减弱甚至失去磁力的情况，这影响了程控开关式温差发动机的应用范围。另外如果以温差发动机和内燃机组成联合循环的动力系统，就要配备两套控制系统，这既增加了开发的难度，也增加了生产成本。

发明内容

本发明提出了一种采用正时系统控制的温差发动机，正时系统是内燃发动机的标准配置，经过长久的实际使用，证明了其工作安全可靠，经久耐用，适用范围广。本发明提出的采用正时系统控制的温差发动机所采用的正时系统与现有内燃机的正时系统，其结构完全一致，只需要对凸轮轴进行专门设计，即可应用。

本发明的技术方案是：一种采用正时系统控制的温差发动机，包括ECU、开关式热交换装置组合、专用气动马达、发动机正时系统，所述的开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门，由发动机正时系统进行控制。

所述的专用气动马达是活塞式气动马达，所述的开关式热交换装置组合中的进气门、出气门安置在气缸的缸盖部位，换气门安置在远离缸盖一定距离的另一个方向上。

所述的发动机正时系统采用双路双顶置凸轮轴，一路双顶置凸轮轴安置在气缸缸盖上，另一路安置在与气缸缸盖相反的位置上。

采用双路双顶置凸轮轴时，每个气缸配备两个开关式热交换装置组合。

所述开关式热交换装置组合的加热器、冷却器，其位置处在气缸缸盖和另一路双顶置凸轮轴之间。

温差发动机以活塞下行做功、活塞上行回气为一个循环周期。凸轮轴设计成可以控制在同一个循环周期内只有一组开关式热交换装置组合处于工作状态。两组开关式热交换装置组合间隔一个周期交替工作，例如在周期1、3、5...中，第一组开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门处于活跃状态，而另一组开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门则总是处于关闭中。而在周期2、4、6...中，另一组开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门处于活跃状态，而第一组开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门则总是处于关闭中。

凸轮轴设计成：当活塞处于上止点时，凸轮将打开进入工作状态的开关式热交换装置组合的出气门，让加热器中的高温高压气体进入气缸推动活塞下行；当活塞行进到下止点，凸轮将关闭开关式热交换装置组合的出气门，同时打开进气门、换气门，此时活塞由下止点向上止点运动，把气缸内的空气经由开关式热交换装置组合的进气门推入冷却器，而冷却器中的空气经过换气门推入加热器。当活塞再次到达上止点，将进气门关闭，换气门关闭，完成一次做功流程。

本发明的有益效果

本发明提出的这种采用正时系统控制的温差发动机，采用了市场上通行的内燃发动机气门正时系统对发动机进行控制。发动机正时系统技术成熟，应用广泛，零部件生产厂家众多，相关人才济济，因此可以大幅降低设计、采购和生产的成本。同时，经过时间验证的安全可靠性，也更容易让用户接受，有助于温差发动机的推广。尤其是，如果把温差发动机和内燃机组合成联合循环的动力系统(以期在燃料消耗不变的情况下提高动力输出)，那么采用发动机正时系统会使设计更简单，价格更低廉，可以缩短开发周期，更快地进入应用阶段。本发明可拓宽温差发动机的应用范围，对于发展可再生能源以替代传统能源、废热利用、提高现有发动机的能效等领域都将产生巨大的作用，对节能减排、保护环境以及工业转型升级都将作出巨大贡献，将促使一个绿色工业文明时代的到来。

附图说明

图1为采用正时系统控制的温差发动机结构示意图；

图中1.正时凸轮、2.开关式热交换装置组合中的出气门、3.开关式热交换装置组合中的进气门、4.活塞式气功马达的气缸缸体、5.活塞、6.连杆、7.开关式热交换装置组合中的冷却器、8.开关式热交换装置组合中的换气门、9.开关式热交换装置组合中的加热器。

实施方式

实施例一：参见图1，一种采用正时系统控制的温差发动机，包括ECU、开关式热交换装置组合、专用气动马达、发动机正时系统，所述的开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门，由发动机正时系统进行控制。

所述的专用气动马达是活塞式气动马达，所述的开关式热交换装置组合中的进气门、出气门安置在气缸的缸盖部位，换气门安置在远离缸盖一定距离的另一个方向上。

所述的发动机正时系统采用双路双顶置凸轮轴，一路双顶置凸轮轴安置在气缸缸盖上，另一路安置在与气缸缸盖相反的位置上。

采用双路双顶置凸轮轴时，每个气缸配备两个开关式热交换装置组合。

所述开关式热交换装置组合的加热器、冷却器，其位置处在气缸缸盖和另一路双顶置凸轮轴之间。

温差发动机以活塞下行做功、活塞上行回气为一个循环周期。凸轮轴设计成可以控制在同一个循环周期内只有一组开关式热交换装置组合处于工作状态。两组开关式热交换装置组合间隔一个周期交替工作，例如在周期1、3、5...中，第一组开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门处于活跃状态，而另一组开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门则总是处于关闭中。而在周期2、4、6...中，另一组开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门处于活跃状态，而第一组开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门则总是处于关闭中。

凸轮轴设计成：当活塞处于上止点时，凸轮将打开进入工作状态的开关式热交换装置组合的出气门，让加热器中的高温高压气体进入气缸推动活塞下行；当活塞行进到下止点，凸轮将关闭开关式热交换装置组合的出气门，同时打开进气门、换气门，此时活塞由下止点向上止点运动，把气缸内的空气经由开关式热交换装置组合的进气门推入冷却器，而冷却器中的空气经过换气门推入加热器。当活塞再次到达上止点，将进气门关闭，换气门关闭，完成一次做功流程。

本发明与程控开关式温差发动机的差异点在于，程控开关式温差发动机采用电磁阀对发动机进行控制，而本发明则采用了内燃发动机常用的发动机正时系统。电磁阀在高温下会发生磁力减弱甚至失去磁力的情况，这影响了程控开关式温差发动机的应用范围。另外如果以温差发动机和内燃机组成联合循环的动力系统，就要配备两套控制系统，这既增加了开发的难度，也增加了生产成本。而采用发动机正时系统，首先正时系统是经过长期使用充分证明了其安全性和可靠性的，这有利于温差发动机的推广；其次正时系统已经是成熟技术，有完整的技术开发规范，所需零部件生产厂家众多，质量可靠，可以降低温差发动机的开发周期和生产成本；第三，采用正时系统使得把温差发动机和内燃发动机组成内燃、温差联合循环的技术开发工作更为简单，这样的联合循环发动机可以大幅度提高单位油耗的动力输出。

本发明提出的采用正时系统控制的温差发动机所采用的正时系统与现有内燃机的正时系统，其结构与工作原理完全一致，所用技术皆为已知技术，为业内人士所熟知，故不再详细说明。但所采用的凸轮轴的具体设计需要针对温差发动机的特点进行专门设计，这一点将在后面专门说明。

本发明中开关式热交换装置组合中的进气门、出气门安置在气缸的缸盖部位，换气门安置在远离缸盖一定距离的另一个方向上。这是为了有足够大的空间来安置加热器和冷却器，热交换的效率与表面积密切相关，要得到满意的效果，必须保证有足够大的空间供其进行热交换。

由于进气门、出气门在一个相近的位置，而换气门则远离进气门、出气门，因此需要分别设置顶置凸轮轴，一路用于控制进气门、出气门，另一路用于控制换气门。在这两路顶置凸轮轴之间的位置，则用于安置开关式热交换装置组合中的加热器和冷却器。

目前通行的发动机普遍采用双顶置凸轮轴，本发明也同样采用了双顶置凸轮轴，以增加可以控制的气门数量。与普通的内燃发动机不同，在本发明中这样设置的目的主要是为了能够设置两套开关式热交换装置组合，更多的开关式热交换装置组合也意味着更高的效率。当然采用单顶置凸轮轴，同时配备一套开关式热交换装置组合也是可以的，但预期效果不够理想。

温差发动机以活塞下行做功、活塞上行回气为一个循环周期。在同一个循环周期内，只有一组开关式热交换装置参与工作，两组开关式热交换装置轮流处于工作状态，因此凸轮轴设计必须能够达到两组轮流工作的目的。例如在周期1、3、5...中，第一组处于工作状态。而在周期2、4、6...中，则另一组开关式热交换装置组合处于工作状态。

温差发动机是通过调整活塞表面的气体压强来实现对外输出做功的，加热器中的气压较高，因此凸轮轴设计成：当活塞处于上止点(亦即容积最小)时，通过对应的凸轮打开加热器的出气门。这时加热器中的高压气体将会推动活塞下行并实现对外做功；当活塞行进到下止点(亦即容积最大)时，通过对应的凸轮将开关式热交换装置组合的出气门关闭，同时打开进气门、换气门，此时活塞由下止点向上止点运动，把气缸内的空气经由开关式热交换装置组合的进气门推入冷却器，而冷却器中的空气经过换气门推入加热器，这称为回气阶段。回气阶段是需要耗功的，但由于加热器中的气压比较高，而冷却器中的气压比较低，因此活塞下行时对外做的功要大于活塞上行时消耗的功，这两者之间的差就是温差发动机的对外输出净功，加热器和冷却器之间的气压差越大，对外输出的净功也越大。当活塞再次到达上止点，将进气门，换气门也关闭，完成一次做功流程。

Claims (2)

1.一种采用正时系统控制的温差发动机，包括ECU、开关式热交换装置组合、专用气动马达、发动机正时系统，其特征是：所述的开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门，由发动机正时系统进行控制；

所述发动机正时系统采用双路双顶置凸轮轴，一路双顶置凸轮轴安置在气缸缸盖上，另一路安置在与气缸缸盖相反的位置上；

采用双路双顶置凸轮轴时，每个气缸配备两个开关式热交换装置组合；

所述开关式热交换装置组合的加热器、冷却器，其位置处在气缸缸盖和另一路双顶置凸轮轴之间；

温差发动机以活塞下行做功、活塞上行回气为一个循环周期，凸轮轴设计成控制在同一个循环周期内只有一组开关式热交换装置组合处于工作状态；两组开关式热交换装置组合间隔一个周期交替工作，在周期1、3、5...中，第一组开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门处于活跃状态，而另一组开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门则总是处于关闭中；而在周期2、4、6...中，另一组开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门处于活跃状态，而第一组开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门则总是处于关闭中；

凸轮轴设计成：当活塞处于上止点时，凸轮将打开进入工作状态的开关式热交换装置组合的出气门，让加热器中的高温高压气体进入气缸推动活塞下行；当活塞行进到下止点，凸轮将关闭开关式热交换装置组合的出气门，同时打开进气门、换气门，此时活塞由下止点向上止点运动，把气缸内的空气经由开关式热交换装置组合的进气门推入冷却器，而冷却器中的空气经过换气门推入加热器；当活塞再次到达上止点，将进气门关闭，换气门关闭，完成一次做功流程。

2.根据权利要求1所述的采用正时系统控制的温差发动机，其特征是：所述的专用气动马达是活塞式气动马达，所述的开关式热交换装置组合中的进气门、出气门安置在气缸的缸盖部位，换气门安置在远离缸盖一定距离的另一个方向上。