CN104975980B - 一种外热力对置活塞式发动机 - Google Patents

Abstract

一种外热力对置活塞式发动机，沿气缸体（1）的轴心开设有主轴孔，主轴孔中设置有有主轴（15），气缸体两端的斜盘箱（2）内设置有斜盘（18），主轴孔的外周均布有至少三个轴向贯通的气缸（28），主轴（15）前端的齿轮箱（4）中对应一个气缸（28）分别设置有一个旋转气阀齿轮（25），气缸（28）的前端、中部和后端分别设置有压气旋转气阀（10）、做功旋转气阀（11）和可转换旋转气阀（12），压气旋转气阀（10）和做功旋转气阀（11）通过传动轴（22）传动连接，可转换旋转气阀（12）的上部设置有转换阀（13），且可转换旋转气阀（12）与换向器（14）相连接。实现了工业余热的二次利用，节约了能源。

Description

一种外热力对置活塞式发动机

技术领域

本发明涉及一种活塞发动机，更具体的说涉及一种外热力对置活塞式发动机，属于发动机技术领域。

背景技术

目前，内燃机为各个领域所广泛采用，内燃机排放的尾气能量占总能量的35％（柴油机）或者50％（汽油机）以上；且尾气温度高达500度左右，强化发动机更高。但是该余热通常被直接排放掉，不仅浪费了大量能源，而且污染了环境；同时，还有很多工业余热和农村秸秆燃烧的热能通常都被直接排放掉，造成了大量能源的浪费和环境的污染。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的内燃机尾气及工业余热通常被直接放掉、浪费了大量能源等问题，提供一种外热力对置活塞式发动机。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种外热力对置活塞式发动机，包括圆筒状气缸体，沿所述气缸体的轴心开设有主轴孔，所述的主轴孔中设置有主轴，气缸体的两端分别设置有斜盘箱，所述的斜盘箱内设置有斜盘，且斜盘套置在主轴上，所述主轴孔的外周均布有至少三个轴向贯通的气缸，所述的气缸中对置设置有前后两个活塞，所述活塞的活塞杆与斜盘箱中的滑块支架相连接，所述滑块支架与斜盘箱上的导轨滑动连接，滑块支架的球窝与斜盘箱中半球滑块的球面滑动连接，所述半球滑块的平面与斜盘滑动连接，所述主轴的后端设置有后端盖，所述后端盖的后端设置有飞轮，所述的飞轮套置在主轴后端，飞轮外设置有飞轮壳，所述飞轮壳安装在后端盖上，所述主轴的前端设置有前端盖，所述前端盖的前端面设置有齿轮箱，所述齿轮箱前端的主轴上设置有皮带盘，齿轮箱中对应一个气缸分别设置有一个旋转气阀齿轮，且齿轮箱中设置有多个中间齿轮，所述的旋转气阀齿轮分别与对应的中间齿轮相啮合，所述多个中间齿轮分别与主轴前端的主轴齿轮相啮合，所述气缸的前端设置有压气旋转气阀，气缸的中部设置有做功旋转气阀，气缸的后端设置有可转换旋转气阀，所述的压气旋转气阀和做功旋转气阀通过传动轴传动连接，且传动轴与该气缸相对应的旋转气阀齿轮传动连接，所述可转换旋转气阀的上部设置有转换阀，且可转换旋转气阀与换向器相连接，还包括有储气罐、逆向热交换器和吸收式制冷系统，所述的吸收式制冷系统包括发生器、回热器、热交换器、冷凝器、蒸发器、吸收器和循环泵，所述储气罐与逆向热交换器的进气口相连通，且储气罐与逆向热交换器进气口连接管路上设置有三位三通电磁阀，所述逆向热交换器的出气口通过电控调速阀分别与气缸上的做功旋转气阀的进气孔和转换阀的进口相连通，所述转换阀的出口和做功旋转气阀的排气孔分别与发生器的进口相连通，所述发生器的出口与热交换器的进气口相连通，所述热交换器的出气口与蒸发器的进气口相连通，所述蒸发器的出气口与压气旋转气阀的进气孔相连通，所述压气旋转气阀的排气孔与逆向热交换器的进气口相连通。

所述的前端盖和后端盖分别安装在斜盘箱上。

所述的气缸两端分别设置有密封端盖。

所述的斜盘由配重压块、斜盘座和螺母紧固在主轴上。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

1、结构新颖，实现了工业余热的二次利用，节约了能源。本发明将内燃机尾气以及气体、液体和固体燃料燃烧的热能转化为机械能，有效的利用热能， 实现了工业余热的二次利用，保护了环境。

2、本发明中用两个斜盘代替了内燃机的曲轴连杆机构，所以体积很小，同时活塞和活塞杆都是直线往返运动，活塞前后都是工作腔，活塞行程不受限制，所以工作容积大；没有内燃机的燃烧和排气声，噪音特别小；而且其工质气体（空气或者是氦气）只在系统内循环，而不需要外围的空气支持，使得适用环境更广阔；活塞上的作用力和反作用力由活塞杆直接传递给了斜盘，所以整体刚性好；并且运动件少，使得自损功率小；使用旋转气阀，使得气缸余隙小、容积效率高。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明中活塞结构示意图。

图3是本发明中齿轮箱各齿轮啮合示意图。

图4是本发明中斜盘箱截面示意图。

图5是本发明中斜盘安装示意图。

图6是本发明中旋转气阀结构示意图一。

图7是本发明中旋转气阀结构示意图二。

图8是本发明中换向器结构示意图。

图9是本发明中转换阀结构示意图一。

图10是本发明中转换阀结构示意图二。

图11是本发明中压气进气阀开启/关闭角度。

图12是本发明中压气排气阀开启/关闭角度。

图13是本发明中做功进气阀开启/关闭角度。

图14是本发明中做功排气阀开启/关闭角度。

图15是本发明工作原理图。

图16是本发明热功转换示意图。

图17是本发明中示功图。

图18是本发明中液体、气体燃料做功示意图。

图19是本发明中固体燃料做功示意图。

图中，气缸体1，斜盘箱2，前端盖3，齿轮箱4，后端盖5，飞轮壳6，活塞7，活塞杆8，密封端盖9，压气旋转气阀10，做功旋转气阀11，可转换旋转气阀12，转换阀13，换向器14，主轴15，飞轮16，斜盘座17，斜盘18，配重压块19，滑块支架20，半球滑块21，传动轴22，主轴齿轮23，中间齿轮24，旋转气阀齿轮25，皮带盘26，螺母27，气缸28，储气罐29，逆向热交换器30，发生器31，回热器32，热交换器33，冷凝器34，蒸发器35，吸收器36，循环泵37，三位三通电磁阀38，电控调速阀39，安全阀40，节流阀41，活塞顶42，螺母43，螺栓44，四氟导向环45，四氟密封环46，弹片47，垫片48，旋转气阀阀体49，旋转气阀阀芯50，端盖51，四氟环52，油封53，换向伞齿轮54，正向伞齿轮55，反向伞齿轮56，拨叉57，滑套58，换向器轴承59，换向器输入轴60，换向器输出轴61，活塞主体62，燃烧室63，锅炉64。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

参见图1、图4至图5，一种外热力对置活塞式发动机，包括圆筒状气缸体1，沿所述气缸体1的轴心开设有主轴孔，所述的主轴孔中设置有主轴15。气缸体1的两端分别设置有斜盘箱2，所述的斜盘箱2内设置有斜盘18，且斜盘18套置在主轴15上。所述主轴孔的外周均布有至少三个轴向贯通的气缸28，所述的气缸28中对置设置有前后两个活塞7，所述活塞7的活塞杆8与斜盘箱2中的滑块支架20相连接；所述滑块支架20与斜盘箱2上的导轨滑动连接，使得滑块支架20在斜盘箱2上的导轨里滑动；滑块支架20的球窝与斜盘箱2中半球滑块21的球面滑动连接，使得半球滑块21的球面在滑块支架20的球窝里滑动；所述半球滑块21的平面与斜盘18滑动连接，使得半球滑块21的平面在斜盘18上滑动；这样就把斜盘18的旋转运动转变成滑块支架20的往返运动，传递活塞杆8上的力矩。

参见图1，所述主轴15的后端设置有后端盖5，所述后端盖5的后端设置有飞轮16，所述的飞轮16套置在主轴15后端，飞轮16外设置有飞轮壳6，所述飞轮壳6安装在后端盖5上；通过飞轮16向外输出轴功。所述主轴15的前端设置有前端盖3，所述前端盖3的前端面设置有齿轮箱4，所述齿轮箱4前端的主轴15上设置有主轴齿轮23和皮带盘26。

参见图3，齿轮箱4中对应一个气缸28分别设置有一个旋转气阀齿轮25，且齿轮箱4中设置有多个中间齿轮24，所述的旋转气阀齿轮25分别与对应的中间齿轮24相啮合，所述多个中间齿轮24分别与主轴15前端的主轴齿轮23相啮合，中间齿轮24将主轴齿轮23的转距传给旋转气阀齿轮25。此处的前端指的是朝向齿轮箱4的方向，后端指的是朝向飞轮16的方向。

参见图1、图6至图14，所述气缸28的前端设置有压气旋转气阀10，气缸28的中部设置有做功旋转气阀11；所述的压气旋转气阀10和做功旋转气阀11通过传动轴22传动连接，所述传动轴22与该气缸28相对应的旋转气阀齿轮25连接，即传动轴22由旋转气阀齿轮25带动，由传动轴22直接带动压气旋转气阀10和做功旋转气阀11，按主轴15旋转角度控制气缸28的进排气开启和关闭。气缸28的后端设置有可转换旋转气阀12，可转换旋转气阀12与换向器14相连接。所述换向器14的输入轴60上装有正向伞齿轮55，因换向伞齿轮54的作用，使正向伞齿轮55和反向伞齿轮56旋转方向相反。换向器输出轴61和滑套58通过花键连接，当滑套58向右运动时，滑套58右边的凸台插入反向伞齿轮56的凹槽，滑套58就会带动换向器输出轴61和反向伞齿轮56一起旋转；推动拨叉57向左运动时，滑套58左边的凸台会插入正向伞齿轮55的凹槽，那么滑套58会带动换向器输出轴61同步运转。转换旋转气阀12由换向器14提供扭矩，在需要在压气模式和工作模式之间改变工作模式时，换向器14按要求控制可转换旋转气阀12正反转：在压气模式时为顺时针旋转，可转换旋转气阀12和压气旋转气阀10同时打开排气通道；在做功模式时为逆时针旋转，可转换旋转气阀12和做功旋转气阀11同时关闭进气通道。同时，所述可转换旋转气阀12的上部设置有转换阀13，转换阀13用来改变工质气体的流向：当改变工作模式时，转换阀13旋转90°，使得工质气体改变流出方向。

参见图2，所述的活塞7包括活塞主体62、活塞顶42、螺母43、垫片48和螺栓44；活塞7上装有四氟导向环45和四氟密封环46，可不用润滑油。

参见图1，所述的前端盖3和后端盖5分别安装在斜盘箱2上。所述的前端盖3和后端盖5中心部位都装有轴承和油封。

参见图1，所述气缸28两端分别设置有密封端盖9；中间部位安装有高温高速密封环，用高温高速密封环来防止工质气体溢出。

参见图1、图4至图5，所述的斜盘18由配重压块19、斜盘座17和螺母27紧固在主轴15上。只要改变配重压块19的外径，就能调整主轴15机构的动平衡。

参见图1、图15，本发明还包括有储气罐29、逆向热交换器30和吸收式制冷系统，所述的吸收式制冷系统包括发生器31、回热器32、热交换器33、冷凝器34、蒸发器35、吸收器36和循环泵37。所述的逆向热交换器30采用管壳式，为了提高热效率，热流体切向进入逆向热交换器30，并在逆向热交换器30中旋转几圈后排出。所述储气罐29与逆向热交换器30的进气口相连通，且储气罐29与逆向热交换器30进气口连接管路上设置有三位三通电磁阀38。所述逆向热交换器30的出气口通过电控调速阀39分别与气缸28上的做功旋转气阀11的进气孔和转换阀13的进口相连通，所述转换阀13的出口和做功旋转气阀11的排气孔分别与发生器31的进口相连通。所述发生器31的出口与热交换器33的进气口相连通，所述热交换器33的出气口与蒸发器35的进气口相连通，所述蒸发器35的出气口与压气旋转气阀10的进气孔相连通，所述压气旋转气阀10的排气孔与逆向热交换器30的进气口相连通。吸收式制冷系统的工作工质包括制取冷量的制冷剂、解吸制冷剂的吸收剂，吸收式制冷工质是一种二元溶液。稀混合溶液在发生器31中被加热，并分离出一定流量的冷剂蒸汽进入冷凝器34中，蒸汽在冷凝器34中被冷却，并凝结成液态，液态冷剂经过节流阀41降压后进入蒸发器35，在蒸发器35内吸热蒸发，产生制冷效应，此时制冷剂由液态变为气态，再进入吸收器36中；另外从发生器31流出来的浓溶液经回热器32降温和节流阀41降压后进入吸收器36，吸收来自蒸发器35的冷剂蒸汽，吸收过程产生的稀溶液由循环泵37加压，经回热器32吸热升温后，重新进入发生器31，如此循环制冷。吸收式制冷系统所消耗的热能是本发动机要废弃的，只有循环泵37消耗很少一部分轴功，从而做到了余热再次利用。图15中空心箭头为制冷剂流动路线，实心箭头为工质气体流动路线。

参见图15，本发明中每个气缸28中装有两个活塞7，两个活塞7做相对运动。齿轮箱4端的活塞7下腔为压气容积，气缸28中部为做功容积，飞轮16端活塞7下腔为可转换容积（压气—做功）。

本外热力发动机的工作循环分为吸气行程、压缩行程、热源吸热、膨胀做功行程、排气行程，冷源放热。

参见图15，吸气行程：齿轮箱4端的活塞7向中部运行时，冷工质气体经压气旋转气阀10的进气通道吸入气缸28，直到活塞7行程的终点，冷工质气体充满气缸28，压气旋转气阀10的进气通道关闭，吸气行程完成。同时，气缸28中部的做功旋转气阀11的排气阀门也开通，工作后的工质气体排向吸收式制冷系统。

参见图11至图15、图17，压缩行程：此时压气旋转气阀10的进排气通道都关闭，活塞7在外力的推动下向齿轮箱4端运行，工质气体被压缩，当运行到某一点时，此时气缸28内的气压和逆向热交换器30内的气压相近、排气通道开启，活塞7继续运行，把压缩后的工质气体压进逆向热交换器30，直到行程止点，排气通道关闭，压缩行程完成。同时，在压缩行程中，气缸28中部做功旋转气阀11的进气通道也打开，从逆向热交换器30出来的高温高压气体进入气缸28中部，推动两个活塞7做功，因为此时压气活塞7的两端都与热交换器33连通而没有压力差，所以活塞7的运动只有摩擦功率损耗和气阻损耗。图17中3-2行程为定熵压缩，2-1行程为定压排气。

参见图15，热源吸热：冷工质气体进入逆向热交换器30内管道，在逆向热交换器30中加热后流出。因为压缩后的冷工质气体进入逆向热交换器30的同时，加热后的工质气体正在进入气缸28中部推动活塞7做功，所以工质气体在逆向热交换器30中是等压加热。

参见图15、图17，膨胀做功：高温高压的工质气体经气缸28中部做功旋转气阀11的进气通道进入工作容积，推动活塞7做等压膨胀做功，当活塞7行经气缸28的某一点时，进气通道关闭，活塞7做定熵膨胀至到行程止点，完成做功行程。图17中1-2行程为定压膨胀，2-3行程为定熵膨胀。

参见图15，排气行程：活塞7在越过止点后，排气通道打开，活塞7在外力的推动下将工作后的工质气体排出气缸28，进入吸收式制冷系统。

参见图15，冷源放热：因排出气缸28的工质气体还有很高的温度需要散发，而吸收式制冷系统只要有75℃—140℃的温度就能正常工作，所以工质气体先经过吸收式制冷系统的发生器31，对发生器31中的稀溶液进行加热蒸发；然后进入热交换器33中放掉大部分热量，此时温度不是很高的工质气体再进入蒸发器35，将温度降到20℃以下再进入压气容积，完成一个循环。

参见图16，可转换容积：以设置有6个气缸28为例，每个气缸28装有两个活塞7，两个活塞7做相对运动。两个活塞7下部各有一个工作容积，我们假设两个活塞7中部是两个工作容积，那么每个气缸28有4个工作容积，6个气缸28共有24个工作容积。当逆向热交换器30的热量只能把工质气体加热到200℃时，根据公式ひ=RT/P，工质气体的比容只增加到1.61倍，此时，用9个活塞7下腔进行压气（6个压气容积+3个可转换容积），用15个容积做功，抵消压气容积损失，还有6个工作容积向外输出轴功。可是，加热后的工质气体的比容只增加了1.61倍，只能带动14.49个容积工作，此时通过PLC（可编程逻辑控制器）开启三位三通电磁阀38排气，降低本系统工作压力，让进入逆向热交换器30的工质气体质量减少，使工质气体的温度上升，达到平衡。如逆向热交换器30将工质气体的温度提高到650℃，加热后的工质气体比容增加了3.15倍，此时用6个活塞7下腔进行压气，用18个容积做功，抵消压气容积损失，还剩12个工作容积向外输出轴功。可是加热后的工质气体的比容增加了3.15倍，能带动18.9个工作容积工作，此时通过PLC(可编程逻辑控制器)开启三位三通电磁阀38，让储气罐29内的工质气体进入本系统，提高本系统工作压力，让进入逆向热交换器30的工质气体质量增加，使工质气体的温度下降，达到新的平衡。本系统中的压力表、温度表将压力、温度数据传给PLC(可编程逻辑控制器)，经PLC(可编程逻辑控制器)运算后控制6个可转换容积的工作转换（压气——做功）和位置的分布，使本发动机能工作的温度范围加宽，运转平稳。

参见图18、19，使用气体、液体燃料时，因是连续燃烧，可用完善的燃烧室控制二氧化碳的排放，因燃烧压力和温度都不是很高，不利于氮氧化物的生成，因此可达到很高的排放标准。使用固体燃料可提高农田秸秆等可燃物的利用效益。本发动机对燃料无特殊要求，能燃烧发热就行。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种外热力对置活塞式发动机，包括圆筒状气缸体（1），沿所述气缸体（1）的轴心开设有主轴孔，所述的主轴孔中设置有主轴（15），气缸体（1）的两端分别设置有斜盘箱（2），所述的斜盘箱（2）内设置有斜盘（18），且斜盘（18）套置在主轴（15）上，其特征在于：所述主轴孔的外周均布有至少三个轴向贯通的气缸（28），所述的气缸（28）中对置设置有前后两个活塞（7），所述活塞（7）的活塞杆（8）与斜盘箱（2）中的滑块支架（20）相连接，所述滑块支架（20）与斜盘箱（2）上的导轨滑动连接，滑块支架（20）的球窝与斜盘箱（2）中半球滑块（21）的球面滑动连接，所述半球滑块（21）的平面与斜盘（18）滑动连接，所述主轴（15）的后端设置有后端盖（5），所述后端盖（5）的后端设置有飞轮（16），所述的飞轮（16）套置在主轴（15）后端，飞轮（16）外设置有飞轮壳（6），所述飞轮壳（6）安装在后端盖（5）上，所述主轴（15）的前端设置有前端盖（3），所述前端盖（3）的前端面设置有齿轮箱（4），所述齿轮箱（4）前端的主轴（15）上设置有皮带盘（26），齿轮箱（4）中对应一个气缸（28）分别设置有一个旋转气阀齿轮（25），且齿轮箱（4）中设置有多个中间齿轮（24），所述的旋转气阀齿轮（25）分别与对应的中间齿轮（24）相啮合，所述多个中间齿轮（24）分别与主轴（15）前端的主轴齿轮（23）相啮合，所述气缸（28）的前端设置有压气旋转气阀（10），气缸（28）的中部设置有做功旋转气阀（11），气缸（28）的后端设置有可转换旋转气阀（12），所述的压气旋转气阀（10）和做功旋转气阀（11）通过传动轴（22）传动连接，且传动轴（22）与该气缸（28）相对应的旋转气阀齿轮（25）传动连接，所述可转换旋转气阀（12）的上部设置有转换阀（13），且可转换旋转气阀（12）与换向器（14）相连接，还包括有储气罐（29）、逆向热交换器（30）和吸收式制冷系统，所述的吸收式制冷系统包括发生器（31）、回热器（32）、热交换器（33）、冷凝器（34）、蒸发器（35）、吸收器（36）和循环泵（37），所述储气罐（29）与逆向热交换器（30）的进气口相连通，且储气罐（29）与逆向热交换器（30）进气口连接管路上设置有三位三通电磁阀（38），所述逆向热交换器（30）的出气口通过电控调速阀（39）分别与气缸（28）上的做功旋转气阀（11）的进气孔和转换阀（13）的进口相连通，所述转换阀（13）的出口和做功旋转气阀（11）的排气孔分别与发生器（31）的进口相连通，所述发生器（31）的出口与热交换器（33）的进气口相连通，所述热交换器（33）的出气口与蒸发器（35）的进气口相连通，所述蒸发器（35）的出气口与压气旋转气阀（10）的进气孔相连通，所述压气旋转气阀（10）的排气孔与逆向热交换器（30）的进气口相连通。

2.根据权利要求1所述的一种外热力对置活塞式发动机，其特征在于：所述的前端盖（3）和后端盖（5）分别安装在斜盘箱（2）上。

3.根据权利要求1所述的一种外热力对置活塞式发动机，其特征在于：所述的气缸（28）两端分别设置有密封端盖（9）。

4.根据权利要求1所述的一种外热力对置活塞式发动机，其特征在于：所述的斜盘（18）由配重压块（19）、斜盘座（17）和螺母（27）紧固在主轴（15）上。