CN108757130A - 一种柴油发动机的能量转换装置及其方法 - Google Patents

一种柴油发动机的能量转换装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柴油发动机的能量转换装置，包括内壳体和外壳体；所述内壳体和外壳体为圆柱形壳体结构；所述内壳体同轴心于所述外壳体内侧；所述内壳体和外壳体之间形成环柱腔，所述环柱腔内呈螺旋状盘旋设置有螺旋导流带；所述螺旋导流带的螺旋外缘和螺旋内缘分别一体化连接所述内壳体外壁和外壳体内壁；所述螺旋导流带将所述环柱腔分割成螺旋预热通道；本发明的结构简单，充分利用了柴油机尾气中蕴含的能量。

Description

一种柴油发动机的能量转换装置及其方法
技术领域
本发明属于柴油发电机领域，尤其涉及一种柴油发动机的能量转换装置及其方法。
背景技术
柴油机具有输出动能强劲，性能可靠的优点，特别是柴油机的尾气排出过程中蕴含大量冲击动能和热能，不仅会造成浪费，同时还带来了剧烈噪音。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种柴油发动机的能量转换装置及其方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种柴油发动机的能量转换装置，包括内壳体和外壳体；所述内壳体和外壳体为圆柱形壳体结构；所述内壳体同轴心于所述外壳体内侧；所述内壳体和外壳体之间形成环柱腔，所述环柱腔内呈螺旋状盘旋设置有螺旋导流带；所述螺旋导流带的螺旋外缘和螺旋内缘分别一体化连接所述内壳体外壁和外壳体内壁；所述螺旋导流带将所述环柱腔分割成螺旋预热通道；
还包括冷空气进气管和热空气出气管；所述冷空气进气管的一端连通所述螺旋预热通道的一端，所述热空气出气管的一端连通所述螺旋预热通道的另一端；所述热空气出气管的另一端连通发动机的进气门；所述内壳体的内腔为内壳腔。
进一步的，所述内壳腔内还同轴心设置有蓄气分流筒，所述蓄气分流筒为圆柱形密闭空腔结构，且所述蓄气分流筒内腔为尾气分流腔；所述蓄气分流筒一体化固定于所述内壳腔靠近所述热空气出气管的一端；
还包括发动机排气管，所述发动机排气管的排气口同轴心连通所述蓄气分流筒的尾气分流腔；所述尾气分流腔内还同轴心设置有引流锥，所述引流锥为硬质圆锥体结构，所述引流锥的尖端朝向所述排气口一侧，所述引流锥的粗端一体化固定连接排气口对侧的端壁.；
还包括若干尾气动能喷管，所述尾气动能喷管为硬质弯管结构；至少六根尾气动能喷管的进气端连通所述尾气分流腔；且六根尾气动能喷管与尾气分流腔的六个连通处呈圆周阵列于端壁.上；
所述内壳腔远离所述蓄气分流筒的一端内壁同轴心设置有输出轴穿过孔，所述动能输出轴的一端可转动穿过所述输出轴穿过孔并伸入所述内壳腔内；
还包括动能转换叶轮，所述动能转换叶轮同轴心于所述内壳腔内，且所述动能转换叶轮与所述动能输出轴的一端同步连接；所述动能转换叶轮可带动所述动能输出轴同步旋转；所述动能输出轴传动连接发电机的转子；动能输出轴可带动发电机的转子旋转；
各所述尾气动能喷管的尾气喷射端与所述动能转换叶轮上的若干能量转换叶片相对应。
进一步的，所述动能转换叶轮为与所述内壳腔同轴心的环体筒状结构，所述动能转换叶轮与所述内壳体内壁之间形成烟气换热通道；所述转换叶轮沿轴线方向依次包括一体化连接的左环体、中环体和右环体；所述中环体和右环体之间的同轴心一体化固定设置有分隔盘；所述分隔盘同轴心一体化同步连接所述动能输出轴；所述分隔盘左侧形成旋流腔，所述分隔盘右侧形成排气腔；所述左环体的左端部与所述内壳腔的左端壁间隙设置；所述右环体的右端部与所述内壳腔的右端壁之间设置烟气通过间隙.；
所述中环体的环体内壁呈圆周阵列设置有若干能量转换叶片；所述能量转换叶片为矩形直叶片结构；能量转换叶片所在面与经过能量转换叶片根部的直径线所呈夹角为α，满足35°＜α＜55°，所述直径线所对应的圆环结构为中环体；
若干所述尾气动能喷管的末端呈发散状向外延伸，且各所述尾气动能喷管末端的尾气喷口呈圆周阵列分布于所述中环体的环体所围合的内侧；
任意一个能量转换叶片的所在面都能旋转至与尾气喷口的喷口延伸线重合；所述能量转换叶片的数量是尾气动能喷管数量的整数倍；
所述左环体的圆柱壁面呈圆周阵列均布有若干烟气溢出消声孔，各所述烟气溢出消声孔将所述旋流腔和烟气换热通道之间相互导通；还包括排烟管，所述排烟管的进气端伸入所述排气腔中。
进一步的，一种柴油发动机的能量转换装置的方法，发动机连续启动运行时，发动机的进气门处在吸气冲程过程中连续产生负压，进而造成热空气出气管形成持续负压，进而在负压作用下，外界空气通过冷空气进气管进入到螺旋预热通道中，进而空气沿螺旋预热通道向热空气出气管流动，在此过程中内壳体中高温尾气所放出的大量热量被螺旋预热通道中流动的空气吸收，进而起到对即将进入发动机进气门的空气进行了预热的效果，同时螺旋预热通道本身是空腔结构，因而还起到隔绝部分震动的效果，进而起到一定的消声功能，在发动机运行过程中，螺旋预热通道中的空气始终为连续流动状态下，进而流动的空气可以加速整个内壳体和外壳体的散热，提高消声器的使用寿命，同时充分利用了尾气余热，进而提高了发动机效率；
与此同时发动机的排气门连续向发动机排气管排出呈节律周期变化的尾气冲击波，进而尾气冲击波从发动机排气管的排气口冲出至尾气分流腔中，在引流锥的作用下，尾气分流腔中的尾气冲击波呈喇叭状逐渐扩开的散开，进而，尾气分流腔中被引流锥扩开的冲击波被均匀分流到各个尾气动能喷管中，进入到尾气动能喷管中的烟气冲击波分别从各个尾气喷口处喷出，此时各个尾气喷口处喷出的烟气和冲击波呈发散状喷向动能转换叶轮内壁上的能量转换叶片上，进而驱动动能转换叶轮连续旋转，进而带动所述动能输出轴旋转，进而动能输出轴带动外部发电机的转子旋转，进而起到发电的效果；与此同时动能转换叶轮内壁的能量转换叶片的连续旋转配合各个尾气喷口处同时喷出的烟气和冲击波在旋流腔中形成旋流，进而将残余冲击动能分解在旋流腔中，进而起到消声的效果；然后旋流腔中的烟气通过各个烟气溢出消声孔溢出至烟气换热通道中，进而烟气换热通道中的高温烟气向排烟管方向运行，高温烟气在通过烟气换热通道过程中连续将热量传导给内壳体，进而内壳体将热量连续传递到螺旋预热通道中的空气中；然后烟气换热通道中的烟气通过烟气通过间隙进入到排气腔中，最终排气腔中的烟气通过转换器排烟管排出。
有益效果：本发明的结构简单，充分利用了柴油机尾气中蕴含的能量，各个尾气喷口处喷出的烟气和冲击波呈发散状喷向动能转换叶轮内壁上的能量转换叶片上，进而驱动动能转换叶轮连续旋转，进而带动所述动能输出轴旋转，进而动能输出轴带动外部发电机的转子旋转，进而起到发电的效果；与此同时动能转换叶轮内壁的能量转换叶片的连续旋转配合各个尾气喷口处同时喷出的烟气和冲击波在旋流腔中形成旋流，进而将残余冲击动能分解在旋流腔中，进而起到消声的效果。
附图说明
附图1为本发明整体结构示意图；
附图2为本发明整体立体剖视图；
附图3为本发明整体正剖视图；
附图4为动能转换叶轮与各尾气动能喷管配合的轴向视图；
附图5为本发明整体隐去动能转换叶轮后的剖开示意图；
附图6为动能转换叶轮结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
结构介绍：如附图1至6所示的一种柴油发动机的能量转换装置，包括内壳体49和外壳体13；所述内壳体49和外壳体13为圆柱形壳体结构；所述内壳体49同轴心于所述外壳体13内侧；所述内壳体49和外壳体13之间形成环柱腔，所述环柱腔内呈螺旋状盘旋设置有螺旋导流带48；所述螺旋导流带48的螺旋外缘和螺旋内缘分别一体化连接所述内壳体49外壁和外壳体13内壁；所述螺旋导流带48将所述环柱腔分割成螺旋预热通道47；
还包括冷空气进气管46和热空气出气管45；所述冷空气进气管46的一端连通所述螺旋预热通道47的一端，所述热空气出气管45的一端连通所述螺旋预热通道47的另一端；所述热空气出气管45的另一端连通发动机的进气门；所述内壳体49的内腔为内壳腔6。
所述内壳腔6内还同轴心设置有蓄气分流筒5，所述蓄气分流筒5为圆柱形密闭空腔结构，且所述蓄气分流筒5内腔为尾气分流腔19；所述蓄气分流筒5一体化固定于所述内壳腔6靠近所述热空气出气管45的一端；
还包括发动机排气管14，所述发动机排气管14的排气口18同轴心连通所述蓄气分流筒5的尾气分流腔19；所述尾气分流腔19内还同轴心设置有引流锥17，所述引流锥17为硬质圆锥体结构，所述引流锥17的尖端朝向所述排气口18一侧，所述引流锥17的粗端一体化固定连接排气口18对侧的端壁19.1；还包括若干尾气动能喷管11，所述尾气动能喷管11为硬质弯管结构；至少六根尾气动能喷管11的进气端连通所述尾气分流腔19；且六根尾气动能喷管11与尾气分流腔19的六个连通处呈圆周阵列于端壁19.1上；引流锥17使喷向尾气分流腔19中的尾气能均匀的分流至尾气动能喷管11中，使每个尾气动能喷管11喷出的尾气冲击波的冲击力趋于一致，进而提高动能转换叶轮3的输出的旋转动能的稳定性，具体过程后文中还有详细介绍；
所述内壳腔6远离所述蓄气分流筒5的一端内壁同轴心设置有输出轴穿过孔12，所述动能输出轴2的一端可转动穿过所述输出轴穿过孔12并伸入所述内壳腔6内；
还包括动能转换叶轮3，所述动能转换叶轮3同轴心于所述内壳腔6内，且所述动能转换叶轮3与所述动能输出轴2的一端同步连接；所述动能转换叶轮3可带动所述动能输出轴2同步旋转；所述动能输出轴2传动连接发电机的转子；动能输出轴2可带动发电机的转子旋转；
各所述尾气动能喷管11的尾气喷射端10与所述动能转换叶轮3上的若干能量转换叶片8相对应。
所述动能转换叶轮3为与所述内壳腔6同轴心的环体筒状结构，所述动能转换叶轮3与所述内壳体49内壁之间形成烟气换热通道26；所述转换叶轮3沿轴线方向依次包括一体化连接的左环体41、中环体42和右环体43；所述中环体42和右环体43之间的同轴心一体化固定设置有分隔盘9；所述分隔盘9同轴心一体化同步连接所述动能输出轴2；所述分隔盘9左侧形成旋流腔20，所述分隔盘9右侧形成排气腔21；所述左环体41的左端部1与所述内壳腔6的左端壁16间隙设置；所述右环体43的右端部44与所述内壳腔6的右端壁50之间设置烟气通过间隙3.2；
所述中环体42的环体内壁呈圆周阵列设置有若干能量转换叶片8；所述能量转换叶片8为矩形直叶片结构；能量转换叶片8所在面与经过能量转换叶片8根部的直径线23所呈夹角为α，满足35°＜α＜55°，所述直径线23所对应的圆环结构为中环体42；若干所述尾气动能喷管11的末端呈发散状向外延伸，且各所述尾气动能喷管11末端的尾气喷口10呈圆周阵列分布于所述中环体42的环体所围合的内侧；任意一个能量转换叶片8的所在面都能旋转至与尾气喷口10的喷口延伸线22重合，这样的尾气喷口10的喷射方向和能量转换叶片8之间的角度关系使从尾气喷管11的尾气喷口10喷出的尾气能最大限度的将冲击动能转化成旋转叶轮3的旋转动能；所述能量转换叶片8的数量是尾气动能喷管11数量的整数倍，这样使六根尾气动能喷管11喷出的尾气在每个时刻产生的整体合力相互抵消，提高动能转换叶轮3的转动稳定性；
所述左环体41的圆柱壁面呈圆周阵列均布有若干烟气溢出消声孔7，各所述烟气溢出消声孔7将所述旋流腔20和烟气换热通道26之间相互导通；还包括排烟管15，所述排烟管15的进气端伸入所述排气腔21中。
本方案的方法、过程以及技术进步整理如下：
发动机连续启动运行时，发动机的进气门处在吸气冲程过程中连续产生负压，进而造成热空气出气管45形成持续负压，进而在负压作用下，外界空气通过冷空气进气管46进入到螺旋预热通道47中，进而空气沿螺旋预热通道47向热空气出气管45流动，在此过程中内壳体49中高温尾气所放出的大量热量被螺旋预热通道47中流动的空气吸收，进而起到对即将进入发动机进气门的空气进行了预热的效果，同时螺旋预热通道47本身是空腔结构，因而还起到隔绝部分震动的效果，进而起到一定的消声功能，在发动机运行过程中，螺旋预热通道47中的空气始终为连续流动状态下，进而流动的空气可以加速整个内壳体49和外壳体13的散热，提高消声器的使用寿命，同时充分利用了尾气余热，进而提高了发动机效率；
与此同时发动机的排气门连续向发动机排气管14排出呈节律周期变化的尾气冲击波，进而尾气冲击波从发动机排气管14的排气口18冲出至尾气分流腔19中，在引流锥17的作用下，尾气分流腔19中的尾气冲击波呈喇叭状逐渐扩开的散开，进而，尾气分流腔19中被引流锥17扩开的冲击波被均匀分流到各个尾气动能喷管11中，进入到尾气动能喷管11中的烟气冲击波分别从各个尾气喷口10处喷出，此时各个尾气喷口10处喷出的烟气和冲击波呈发散状喷向动能转换叶轮3内壁上的能量转换叶片8上，进而驱动动能转换叶轮3连续旋转，进而带动所述动能输出轴2旋转，进而动能输出轴2带动外部发电机的转子旋转，进而起到发电的效果；与此同时动能转换叶轮3内壁的能量转换叶片8的连续旋转配合各个尾气喷口10处同时喷出的烟气和冲击波在旋流腔20中形成旋流，进而将残余冲击动能分解在旋流腔20中，进而起到消声的效果；然后旋流腔20中的烟气通过各个烟气溢出消声孔7溢出至烟气换热通道26中，进而烟气换热通道26中的高温烟气向排烟管15方向运行，高温烟气在通过烟气换热通道26过程中连续将热量传导给内壳体49，进而内壳体49将热量连续传递到螺旋预热通道47中的空气中；然后烟气换热通道26中的烟气通过烟气通过间隙3.2进入到排气腔21中，最终排气腔21中的烟气通过转换器排烟管15排出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种柴油发动机的能量转换装置，其特征在于：包括内壳体(49)和外壳体(13)；所述内壳体(49)和外壳体(13)为圆柱形壳体结构；所述内壳体(49)同轴心于所述外壳体(13)内侧；所述内壳体(49)和外壳体(13)之间形成环柱腔，所述环柱腔内呈螺旋状盘旋设置有螺旋导流带(48)；所述螺旋导流带(48)的螺旋外缘和螺旋内缘分别一体化连接所述内壳体(49)外壁和外壳体(13)内壁；所述螺旋导流带(48)将所述环柱腔分割成螺旋预热通道(47)；
还包括冷空气进气管(46)和热空气出气管(45)；所述冷空气进气管(46)的一端连通所述螺旋预热通道(47)的一端，所述热空气出气管(45)的一端连通所述螺旋预热通道(47)的另一端；所述热空气出气管(45)的另一端连通发动机的进气门；所述内壳体(49)的内腔为内壳腔(6)。
2.根据权利要求1所述的一种柴油发动机的能量转换装置，其特征在于：所述内壳腔(6)内还同轴心设置有蓄气分流筒(5)，所述蓄气分流筒(5)为圆柱形密闭空腔结构，且所述蓄气分流筒(5)内腔为尾气分流腔(19)；所述蓄气分流筒(5)一体化固定于所述内壳腔(6)靠近所述热空气出气管(45)的一端；
还包括发动机排气管(14)，所述发动机排气管(14)的排气口(18)同轴心连通所述蓄气分流筒(5)的尾气分流腔(19)；所述尾气分流腔(19)内还同轴心设置有引流锥(17)，所述引流锥(17)为硬质圆锥体结构，所述引流锥(17)的尖端朝向所述排气口(18)一侧，所述引流锥(17)的粗端一体化固定连接排气口(18)对侧的端壁(19.1)；
还包括若干尾气动能喷管(11)，所述尾气动能喷管(11)为硬质弯管结构；至少六根尾气动能喷管(11)的进气端连通所述尾气分流腔(19)；且六根尾气动能喷管(11)与尾气分流腔(19)的六个连通处呈圆周阵列于端壁(19.1)上；
所述内壳腔(6)远离所述蓄气分流筒(5)的一端内壁同轴心设置有输出轴穿过孔(12)，所述动能输出轴(2)的一端可转动穿过所述输出轴穿过孔(12)并伸入所述内壳腔(6)内；
还包括动能转换叶轮(3)，所述动能转换叶轮(3)同轴心于所述内壳腔(6)内，且所述动能转换叶轮(3)与所述动能输出轴(2)的一端同步连接；所述动能转换叶轮(3)可带动所述动能输出轴(2)同步旋转；所述动能输出轴(2)传动连接发电机的转子；动能输出轴(2)可带动发电机的转子旋转；
各所述尾气动能喷管(11)的尾气喷射端(10)与所述动能转换叶轮(3)上的若干能量转换叶片(8)相对应。
3.根据权利要求2所述的一种柴油发动机的能量转换装置，其特征在于：所述动能转换叶轮(3)为与所述内壳腔(6)同轴心的环体筒状结构，所述动能转换叶轮(3)与所述内壳体(49)内壁之间形成烟气换热通道(26)；所述转换叶轮(3)沿轴线方向依次包括一体化连接的左环体(41)、中环体(42)和右环体(43)；所述中环体(42)和右环体(43)之间的同轴心一体化固定设置有分隔盘(9)；所述分隔盘(9)同轴心一体化同步连接所述动能输出轴(2)；所述分隔盘(9)左侧形成旋流腔(20)，所述分隔盘(9)右侧形成排气腔(21)；所述左环体(41)的左端部(1)与所述内壳腔(6)的左端壁(16)间隙设置；所述右环体(43)的右端部(44)与所述内壳腔(6)的右端壁(50)之间设置烟气通过间隙(3.2)；
所述中环体(42)的环体内壁呈圆周阵列设置有若干能量转换叶片(8)；所述能量转换叶片(8)为矩形直叶片结构；能量转换叶片(8)所在面与经过能量转换叶片(8)根部的直径线(23)所呈夹角为α，满足35°＜α＜55°，所述直径线(23)所对应的圆环结构为中环体(42)；
若干所述尾气动能喷管(11)的末端呈发散状向外延伸，且各所述尾气动能喷管(11)末端的尾气喷口(10)呈圆周阵列分布于所述中环体(42)的环体所围合的内侧；
任意一个能量转换叶片(8)的所在面都能旋转至与尾气喷口(10)的喷口延伸线(22)重合；所述能量转换叶片(8)的数量是尾气动能喷管(11)数量的整数倍；
所述左环体(41)的圆柱壁面呈圆周阵列均布有若干烟气溢出消声孔(7)，各所述烟气溢出消声孔(7)将所述旋流腔(20)和烟气换热通道(26)之间相互导通；还包括排烟管(15)，所述排烟管(15)的进气端伸入所述排气腔(21)中。
4.根据权利要求3所述的一种柴油发动机的能量转换装置的方法，其特征在于：发动机连续启动运行时，发动机的进气门处在吸气冲程过程中连续产生负压，进而造成热空气出气管(45)形成持续负压，进而在负压作用下，外界空气通过冷空气进气管(46)进入到螺旋预热通道(47)中，进而空气沿螺旋预热通道(47)向热空气出气管(45)流动，在此过程中内壳体(49)中高温尾气所放出的大量热量被螺旋预热通道(47)中流动的空气吸收，进而起到对即将进入发动机进气门的空气进行了预热的效果，同时螺旋预热通道(47)本身是空腔结构，因而还起到隔绝部分震动的效果，进而起到一定的消声功能，在发动机运行过程中，螺旋预热通道(47)中的空气始终为连续流动状态下，进而流动的空气可以加速整个内壳体(49)和外壳体(13)的散热，提高消声器的使用寿命，同时充分利用了尾气余热，进而提高了发动机效率；
与此同时发动机的排气门连续向发动机排气管(14)排出呈节律周期变化的尾气冲击波，进而尾气冲击波从发动机排气管(14)的排气口(18)冲出至尾气分流腔(19)中，在引流锥(17)的作用下，尾气分流腔(19)中的尾气冲击波呈喇叭状逐渐扩开的散开，进而，尾气分流腔(19)中被引流锥(17)扩开的冲击波被均匀分流到各个尾气动能喷管(11)中，进入到尾气动能喷管(11)中的烟气冲击波分别从各个尾气喷口(10)处喷出，此时各个尾气喷口(10)处喷出的烟气和冲击波呈发散状喷向动能转换叶轮(3)内壁上的能量转换叶片(8)上，进而驱动动能转换叶轮(3)连续旋转，进而带动所述动能输出轴(2)旋转，进而动能输出轴(2)带动外部发电机的转子旋转，进而起到发电的效果；与此同时动能转换叶轮(3)内壁的能量转换叶片(8)的连续旋转配合各个尾气喷口(10)处同时喷出的烟气和冲击波在旋流腔(20)中形成旋流，进而将残余冲击动能分解在旋流腔(20)中，进而起到消声的效果；然后旋流腔(20)中的烟气通过各个烟气溢出消声孔(7)溢出至烟气换热通道(26)中，进而烟气换热通道(26)中的高温烟气向排烟管(15)方向运行，高温烟气在通过烟气换热通道(26)过程中连续将热量传导给内壳体(49)，进而内壳体(49)将热量连续传递到螺旋预热通道(47)中的空气中；然后烟气换热通道(26)中的烟气通过烟气通过间隙(3.2)进入到排气腔(21)中，最终排气腔(21)中的烟气通过转换器排烟管(15)排出。
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