CN106194410A - 一种热能利用的滚子发动机 - Google Patents

Abstract

一种热能利用的滚子发动机，主要部件有定子、滚子、偏心轴、活动门、单向阀、燃烧室、闸阀、喷水嘴等，滚子在定子内滚动，活动门在定子上径向滑动并和滚子接触，在压气腔、燃烧室和膨胀腔分别有喷水嘴，调整合理的喷水量和时机，水雾被热能气化，产生更多的做功气体，由于膨胀容积比压气容积大很多，热能被转化为机械功。

Description

一种热能利用的滚子发动机

技术领域

本发明涉及一种热能利用的滚子发动机，属于发动机领域。

背景技术

当前发动机仅利用了燃料能量的三分之一左右，大部分能量随冷却水和尾气而流失，并且，高温带来许多不利因素，例如引起结构变形和加速磨损，需要复杂的冷却系统，提高效率和降温实际上是同一个问题，碳排放问题日趋严重，世界各国竞相研究发动机热能利用，节能减排对生态环境具有重大意义。

向燃烧室喷水的尝试有很多，现代典型的例如宝马和丰田，这一做法的好处是降低了进气温度，从而可以提高压缩比，水还具有助燃和润滑作用，降低温度即减少了NOx的排放，然而，喷水没有改善发动机效率，这是为什么呢，答案在于现有发动机结构，即压气容积基本等于做功容积，即使有更多的气体产生，而做功容积有限，因此，效率没有提高，换句话说，要提高效率，必须增加膨胀容积而不改变压气容积。

发明内容

本发明要解决的问题是：将发动机的热能转化为机械功。

本发明的技术方案是：发动机膨胀容积可以比压气容积大很多，通过喷入水雾的方法，降低进气温度和提高压缩比，并且利用热能气化水雾，产生更多的气体，由于具有合适的膨胀容积，热能被转化为机械功，方案经样机验证可行。

本发明的有益效果是：可以将内燃机热能转化为机械功，降低发动机和尾气温度，减少NOx等害物质的产生，简化冷却系统，减少颗粒物的排放，是一种长寿命、高效、节能、环保的发动机。

附图说明：

图1是发动机主体结构爆炸图

图2是发动机工作原理图

图3为单向阀结构图

图4为闸阀结构

图5是滚子端面密封结构图

图6是活动门密封结构的爆炸图

图7为门密封条热补偿图

图8是安全气道原理图

图9为偏心轴装配原理图

图10是滚子内部润滑油路径图

图11是回油叶轮原理图

图12是回油叶轮的结构图

图13是活动门在内部的一种设计

图14是一种平动型活动门设计

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的优选方案进行描述，本发明的内容在于热能利用的技术方案，下述优选案例是为了阐明技术方案的可实施性，对下述具体构造的一些替换或改变，都应当视为本发明权利要求书所确定的专利保护范围。

图1是发动机主体结构爆炸图，在偏心轴3的限制下，滚子2在定子1的内壁滚动，在弹簧5的作用下，活动门4将门密封条6压在滚子2上，滚子和活动门将定子内腔分隔为两个空间，当滚子顺时针滚动时，左边空间不断变小，空气经单向阀8压入燃烧室10，喷油嘴11在可分次喷油，闸阀9在滚子滚经过后打开，此时，火花塞12点火（或提前点火），推动滚子滚动，7是喷水嘴。

定子和滚子之间为滚动摩擦，滚子与前后端盖之间为滑动摩擦，因此，整体细长结构有利于减少摩擦损失，考虑到两端热平衡，可采用两个燃烧室并布置在两端，也可以在中间设置一个燃烧室，由于燃烧室是独立的，可以设计为利于火焰传播和燃烧形状。

图2是发动机工作原理图，进气口有调速风机15，根据发动机状况提供进气量，当发动机处于怠速时，减少进气量使部分尾气混合进入燃烧室，达到节油目的，当发动机高速运转时，提供过量的空气，具有冷却内腔作用，通过改变进气口和排气口的位置，可以设计任意的膨胀容积与压缩容积之比。

在压气阶段前期，喷水嘴13向压气腔分次喷入水雾，可以降低进气温度，获得更大的压缩比，并减小压气功耗，随着气体压入，水雾撞击燃烧室壁并产生部分凝结（通过优化气道和燃烧室的气动构造），形成保护膜，同时，水雾还具有助燃作用，点火之后，喷水嘴14向燃烧室喷入水雾，在闸阀打开后，喷水嘴7向膨胀腔分次喷入水雾，所述全部水分被高温所汽化，产生更多的气体，考虑到具有较大的膨胀容积，热能被转化为机械功。

显然，喷水策略应根据实际工况而变化，包括对上述顺序的变换、提前、延迟、拆分、增加或组合优化，决策的主要根据是进气温度和湿度、排气温度和湿度、喷油量、转速、负载等相关参数，在不影响燃烧前提下，喷水可以适当过量，一方面具有润滑作用，另一方面可以吸收废气中的有害物，多余的水随排气口16排出，排气口16接有冷凝器，尾气经过冷凝器降温，水蒸气以颗粒物为核产生凝结，所有液态水回流收集，可以减少颗粒物排放，是一种非常环保的发动机。图2为描述方便，实际进气口和排气口可以不在同一剖面上，可以是多个并交错排列。

喷水方法可以用于具备膨胀容积大于压气容积的发动机，例如，涡轮发动机、压气和做功采用不同缸体的发动机。

喷水嘴前端有高压水泵，水的雾化和水量控制已经有成熟的技术，例如发动机缸内直喷技术，所用水采用纯净水或采用过滤装置，防止水蒸气腐蚀已有成熟技术，例如汽轮机防腐蚀技术。

图3为单向阀结构图，单向阀阀座17通过螺钉22安装在定子上（安装位置见图1），非导磁材料的导向座18同轴密封安装在阀座上，磁极罩20同轴密封安装在导向座上，电磁线圈19安装在磁极罩内，阀芯19可以在导向座内轴向滑动，当发动机进入压气行程，电磁线圈21通电，单向阀打开，气体流过，阀芯19有中心通孔和表面纵向沟槽，以平衡气压并减轻重量，阀座采用下端锥面和软质金属环23与定子构成密封，需要说明，即使没有电磁线圈，单向阀依然可以工作，电磁线圈可以减小气压损失，单向阀的结构形式很多，但作用相同。

图4为闸阀结构，闸阀阀座24安装在定子1上（图1），闸阀阀芯26可以在阀座内轴向滑动，弹簧25保持闸阀闭合状态，当发动机进入做功行程，凸轮27压下摩擦条29，闸阀打开，凸轮轴和发动机主轴通过链条同步链接，锥面30和软质金属环31构成闸阀密封， 28是密封环。

在压气开始一段时间，凸轮仍然保持闸阀开启，以使燃烧室内的废气排出，有利于高速运转，闸阀的结构形式很多，但作用相同。

图5是滚子端面密封结构图，滚子端面密封环32和滚子2采用类似于活塞结构，以吸收滚子2的轴向热伸长，定子密封条34镶嵌在定子1的环槽内，密封环32和刮油环33与滚子2之间有弹性密封圈35，32和33采用耐磨材料，如表面渗瓷材料、耐磨铸铁、铜基合金、巴氏合金或其它新型耐磨材料，34和35采用具有一定弹性的材料，如氟橡胶、聚四氟或其它新型密封材料，由于碾压作用回导致密封条34沿滚动方向移位，定子密封条34外圆可设计一些工类似于齿轮的嵌套，36是发动机端盖。

图6是活动门密封结构的爆炸图，门端面密封条37通过定位销39安装在活动门4的端面上，并保持和发动机端盖贴合，弹性密封块41安装在定子1上，弹性密封块38安装在活动门4上并与门密封条6的轴贴合，门弧面密封条40安装在定子1上，37和40采用材料同上述32，38和41采用材料同上述34。

图7为门密封条热补偿图，密封条6中部有凹凸构造，42为弹性材料，可以吸收门密封条的热伸长。

图8是安全气道原理图，门密封条6的中间有一排气孔43，活动门4上有相应气孔通向大气，其目的是防止门密封条6被高压气体抬起而失去密封作用，同时，可以从其中部分气孔注入润滑油或水。

图9为偏心轴装配原理图，偏心轴3安装在主轴50上，调整金属垫片47的厚度，旋紧螺钉48，使偏心距略小于预期值，将主轴50水平放置专用支撑块44上（也可使用分度头），缓慢转动主轴一圈，即可从千分表49上读出最小值和最大值，相减除以2等于偏心距，根据设计功率可求得滚子实际受力F，将F施加于实际受力方向，调节螺钉46挤压契形块45，使偏心距符合要求，力F是矢量和，等于滚子受到的最大压力减去离心力，再加上密封预压力，当滚子及轴承装配后再次进行上述测试，最后将温度上升到发动机工作温度进行测试。

由于定子周长大于滚子的周长，理论上，相同的温升导致定子和滚子之间的间隙增加，然而，滚子温升大于定子温升，得到一定的补偿，并且，高温升意味着高转速，此时离心力较大，具有补偿作用，不过，高温下零部件刚性有所下降，总之，径向间隙影响因素是多方面的，例如工作温度、整体结构、材料选取、热处理工艺、滚子重量、转速、冷却措施、负载特性等等，可以通过计算机模拟并实际试验确定，实际制造经验表明，通过选择契形块45材料（不同热胀特性）即可达到要求。

过大的密封预压力将影响轴承寿命，滚子和定子之间漏气通常出现在滚子最大受力情况下，在这些区间，可以在定子内壁设置密封条、弹性结构或波纹内衬，以降低密封预压力。

图10是滚子内部润滑油路径图，润滑油从主轴中心孔输入，回油叶轮51同轴安装在滚子2上，并与端盖36贴合，回油叶轮上有储油槽53，端盖36上有回油环槽52，由滚子运动可知回油叶轮同主轴转向相反，在旋转过程中，储油槽53不断越过回油环槽52，从而将润滑油带入回油环槽，并从端盖上的回油孔流出。

图11是回油叶轮原理图，在离心力作用下，滚子内部润滑油总是在最远点并与主轴同步转动，因为回油叶轮固定在滚子上，此时，可以认为回油叶轮51远轴方向的叶片是不动的，设润滑油液面到滚子中心距离为r（油面高度取略低于轴承外圈的高度)，偏心轴偏心距为e，主轴转速为f 转/秒，油液54的质量为m，

油液动能 E=2mπ²(r+e)²f²

润滑油的向心加速度a=4mπ²(r+e)f²

设润滑油的动能可以上升h高度，

则：E=mah

解得：h=(r+e)/2

重力比离心力小很多，可以忽略，实际上，r和e都大于h，因此，滚子内部的润滑油越过高度h没有问题。

图12是回油叶轮的结构图，回油叶轮采用较软的耐磨材料制造（如聚四氟），为保持随滚子2一起运动，其外径和滚子2的内径可采用紧配合或采用键槽结构。

图13是活动门在内部的一种设计，这这一设计的优势是，活动门受力合理，并可以较轻，为单向阀8让出了空间，但是，活动门整体处于封闭空间，润滑散热条件较差，活动门和滚子以及定子之间必须留有间隙，影响了压气效率，活动门离开上止点时存在负压阻碍。

活动门的特征在于：一个边和滚子保持密封，两端和端面保持密封，并且可以径向活动，符合这一特征均可构成活动门，和滚子保持密封可以用弹簧，也可以采用凸轮机构，或采用弹簧和凸轮机构结合。

图14是一种平动型活动门设计，其两端嵌套在端盖的滑槽内，这种活动门结构更轻，考虑到气体压力导致弯曲和两端摩擦力较大，这种设计在整机较短时具有优势。

Claims (10)

1.一种热能利用的滚子发动机，主要部件有定子、滚子、偏心轴、活动门、单向阀、燃烧室、闸阀、喷水嘴等，在偏心轴限定下，滚子在定子内滚动，活动门在定子上做径向滑动并和滚子保持密封，在压气腔、燃烧室和膨胀腔分别设有喷水嘴，在适当时机喷入水雾以吸收热能，可增加压缩比和产生更多的做功气体，由于合适的膨胀容积（比压气容积大很多），热能被转化为有效的机械功。

2.根据权利要求1所述一种热能利用的滚子发动机，喷水可以适当过量，具有润滑和吸收有害物的作用，排气口接有冷凝器，使水蒸气以颗粒物为核凝结，所有废水回流收集，以减少颗粒物排放。

3.根据权利要求1所述一种热能利用的滚子发动机，进气口有调速风机以调节进气量，当发动机处于怠速时，减少进气量使部分尾气混合进入燃烧室，达到节油目的，当发动机高速运转时，风机鼓入过量空气，具有冷却内腔作用。

4.根据权利要求1所述一种热能利用的滚子发动机，具有独立的燃烧室，燃烧室腔体设计成利于火焰燃烧和传播形状，在压气开始一段时间，闸阀仍然保持开启，以使燃烧室内的废气排出。

5.根据权利要求1所述一种热能利用的滚子发动机，滚子内有循环油冷却润滑，回油叶轮同轴安装在滚子上并与端盖贴合，回油叶轮上有储油槽，端盖上有回油环槽，油液依靠动能进入储油槽，被储油槽带入回油环槽，并从端盖上的回油孔流出。

6.根据权利要求1所述一种热能利用的滚子发动机，滚子端面密封环和滚子之间采用活塞结构，可以吸收滚子的轴向热伸长，这一结构也用于活动门端面密封。

7.根据权利要求1所述一种热能利用的滚子发动机，活动门的特征在于：其中一条边和滚子保持密封，两端和端盖保持密封，可以做径向移动，可以采用弹簧或凸轮机构保持和滚子密封状态，门密封条的中间有一排气孔，气孔穿过活动门通向大气，防止门密封条被气体抬起，也可以从部分气孔注入润滑油或水。

8.根据权利要求1所述一种热能利用的滚子发动机，根据滚子实际受力状况调整偏心距，为减小密封预压力，可以在相应的定子内壁设置密封条、弹性结构或波纹内衬。

9.根据权利要求1所述一种热能利用的滚子发动机，通过电磁线圈辅助打开单向阀，以减小气压损失，阀芯有中心通孔和表面纵向沟槽，以平衡气压并减轻重量。

10.根据权利要求1所述一种热能利用的滚子发动机，本发明技术方案可用于其它膨胀容积大于压气容积的发动机。