CN2851601Y - 一种容积式持续燃烧式发动机 - Google Patents

Abstract

一种容积式持续燃烧式发动机，包括控制系统、润滑系统，其特征是：其压气装置为滑片式压气装置，燃烧室为独立的持续燃烧室，做功装置为切向多级扩张叶轮式做功装置，还有一个预热空气的废气热交换装置，这种发动机结构简单、耗材少、造价低、能源利用率高，可用乙醇、氢气、天然气、沼气、干冰等作燃料，改变了对石油能源的依赖；可实现零怠速和微扭矩起动，运行平稳，在石油资源日益短缺的形势下，将有可能取代现在的车用发动机。

Description

一种容积式持续燃烧式发动机

(一)技术领域：

本实用新型涉及发动机，特别是一种容积式持续燃烧式发动机。

(二)背景技术：

目前发动机按对空气的压缩方式和燃料的燃烧方式可分为两大类：一是容积式脉冲燃烧式发动机，例如活塞式发动机、三角转子发动机；二是动力式(速度式)持续燃烧式发动机，例如燃汽轮机、喷气式发动机。

容积式脉冲燃烧式发动机(例如活塞式发动机)的缺点是结构复杂、耗用金属等原材料多，燃料燃烧不充分并且形成多种污染物，燃料使用面窄对石油的依赖极强；动力式(速度式)持续燃烧式发动机(例如燃汽轮机)的缺点是小形化后效率极低，对燃料的利用率大约只有10％，阻碍了这类发动机作为车用发动机在汽车上的使用。

(三)实用新型内容：

本实用新型的目的是为克服现有容积式脉冲燃烧式发动机和动力式(速度式)持续燃烧式发动机的不足，而公开一种结构简单、成本低、能源利用率高、燃料使用面广，可实现零怠速和微扭矩起动，运行平稳的容积式持续燃烧式发动机。

本实用新型的技术方案是：

本实用新型发动机，主要由滑片式压气装置、切向多级扩张叶轮式做功装置、废气热交换器、燃烧室和控制系统五大部分组成。其特征是：压气装置的进气口为进气导流罩，其出气口与废气热交换器的热交换管板的进气导管连通，热交换管板的出气导管和燃烧室的进气口连通，燃烧室的出气口和切向多级扩张叶轮式做功装置的进气口连通，切向多级扩张叶轮式做功装置的出气口和废气热交换器的进气导管连通，压气装置的外贯穿轴上的拨叉和切向多级扩张叶轮式做功装置上的花键轴固定连接、同速转动。

发动机工作时，空气经导流罩进入滑片式压气装置，压缩后由导管送到废气热交换器进行预热，预热后由导管送到燃烧室和燃料一起燃烧，膨胀后的气体送入切向多级扩张叶轮式做功装置做功，多级做功后废气由导管送到废气热交换器内，热交换后排出发动机外。

所述的压气装置为滑片式压气装置，主要由进气导流罩、自调压总成、压气气缸总成和滑片轴总成组成，进气导流罩安装在压气气缸总成上，自调压总成安装在压气气缸总成的气缸上，滑片轴总成由轴承和压气气缸总成的气缸端盖定位在压气气缸总成的腔体内；自调压总成主要由气门阀、微压弹簧、导槽、导向滑块、油毡和自调压外壳组成，导槽固定在自调压外壳上，导向滑块固定在气门阀上，气门阀在导槽内定向滑动连接；滑片轴总成由轴承、外贯穿式滑片、外贯穿轴、转子、侧板、油封组成；外贯穿式滑片在转子的槽内滑动连接；外贯穿式滑片由滑片、外卸载轴承、心轴、弹簧支架和外贯穿弹簧组成；外卸载轴承的心轴到滑片的中心向滑片运动的反方向偏移0-5mm，外卸载轴承和弹簧支架设置在侧板外侧的滑片上，弹簧支架上穿有外贯穿弹簧，外贯穿弹簧从外贯穿轴上开的贯穿槽内穿过；由气缸、转子、侧板和侧板以内的外贯穿式滑片组成压气单元；外贯穿轴、转子、侧板相互间由销和螺栓定位联接。

工作时，进气导流罩的进气口高于发动机，进气导流罩引导空气在进入滑片式压气装置前，引导空气流经压气装置和做功装置之间，使流经的空气起到隔热的作用。自调压总成的内侧与空气已压缩后的导管相接通，当由滑片分割的独立的压气单元的气压高于气门阀内侧的气压时，气门阀在气体压力的作用下向内侧移动打开气门泄压，流出的空气直接进入导管，当由滑片分割的独立的压气单元的气压低于气门阀内侧的气压时，气门阀在微压弹簧和气体压力的共同作用下向外移动关闭调压气门，从而实现自动调压功能；实现自动调压功能则是实现零怠速、微扭矩起动的关键。压气气缸总成由气缸、两个气缸端盖和两个轴承端盖组成，气缸、转子、侧板和在侧板以内的外贯穿式滑片组成压气单元，由于转子在气缸内的位置是偏心的，当转子带动外贯穿式滑片和侧板在气缸内旋转时，每个压气单元的体积都依次由0变到最大时，完成吸气，再由最大变为0，完成压缩，被压缩了的空气通过导管进入热交换器的热交换管板内，以实现利用废气将其加热；外贯穿轴、转子、侧板相互间由销和螺栓定位联接，在与花键轴相接的外贯穿轴上设有拨叉，通过该拨叉与花键轴肩上的拨叉孔的连接，将做功装置的动力传给压气装置；外贯穿式滑片的心轴的轴心到滑片的中心向滑片运动的反方向偏移0～5mm，该偏移使滑片在吸气时与气缸不接触，减少了摩擦力和发热量；在侧板以外的外贯穿式滑片上设置的弹簧支架和外贯穿弹簧实现了滑片的贯穿功能，并且由于弹簧有自调节性能，从而使气缸的缸体轮廓简化为最简轮廓及圆形；侧板除了组成压气单元外，同时侧板将推力均匀的作用到滑片上，改变了滑片只能从转子上得到推动力的这种不合理的受力结构，从而彻底改变了滑片的恶劣的工作状况，同时增加了压缩能效比。

所述的热交换器为废气热交换器，主要由热交换器外壳、热交换管板和导管三部分组成。热交换管板设在热交换器外壳腔体内，导管与热交换管板连通，导管和废气热交换器的热交换器外壳连通，工作时，废气由导管引入热交换器外壳腔体内，而已压缩了的空气由导管引导，从热交换管板内流过并受热升高部分温度，再由导管引导，进入燃烧室内参与燃烧；热交换管板的板状管式结构增大了与废气的接触面积，从而增加了能量的回收利用率；热交换器外壳和热交换管板由金属板冲压焊接而成，结构简单，符合批量加工要求。

所述的燃烧室，主要由外壳、燃烧腔和火花喷气塞三部分组成，燃烧腔底部与外壳焊接在一起，火花喷气塞安装在外壳的底部，火花喷气塞上安装有陶瓷式放电火花针，火花喷气塞上开有燃料喷孔，外壳由金属板冲压焊接而成，燃烧腔由耐高温、抗氧化的杯状带环孔的合金构成，其底部与外壳焊接在一起；火花喷气塞上安装有陶瓷式放电火花针，火花喷气塞上开有燃料喷孔；点火时，放电火花针先产生一个持续的脉冲放电过程，然后气体燃料或气化了的液体燃料从喷孔喷到燃烧腔内，放电火花针产生的电火花点燃喷入的燃料，燃料在燃烧腔内持续的稳定的燃烧，点燃燃料后，放电火花针停止放电；燃料燃烧时产生的热量使进入燃烧室的气体迅速升温并急剧膨胀，膨胀后的气体从燃烧室的出口进入做功装置以实现做功。

所述的做功装置为切向多级扩张叶轮式做功装置，主要由做功外壳、做功叶轮、花键轴、蜗流扩张导气通道总成和做功外壳端盖五部分组成。做功叶轮由带有花键孔的轮体和生成一体的均匀分布在轮体圆周上的多个叶片构成，叶片为矩形；蜗流扩张导气通道是一个进气口小而出气口大在空间位置上象蜗牛壳形状的螺旋形导气通道；做功叶轮设置在做功外壳的叶轮腔内，做功叶轮用套筒定位在花键轴上，做功外壳和叶轮的轮体构成了气流做功通道，气流做功通道与蜗流扩张导气通道相连接，蜗流扩张导气通道与下一级的气流做功通道相联接，同一侧的蜗流扩张导气通道组成一个蜗流扩张导气通道总成。工作时，做功叶轮可在叶轮腔内与做功外壳无接触的高速旋转；做功外壳和叶轮轮体构成了气流做功通道，当做功气体从气流做功通道连续流过时，气体对叶轮上的叶片不断的产生一个沿着叶轮轮体切向方向的推力，这个推动力使叶轮沿气流方向做高速旋转；气流做功通道与蜗流扩张导气通道相连接，蜗流扩张导气通道与下一级的气流做功通道相联接，当做功气体从气流做功通道流出，进入蜗流扩张导气通道后，在通道内气体膨胀部分体积、降低部分压力，然后进入下一级的气流做功通道；同一侧的蜗流扩张导气通道可组成一个蜗流扩张导气通道总成；气流做功通道延长了气体切向方向扩张做功距离，并且使气体在高的压力和小的流量下对叶轮产生大的推力，并且这个推力全部变为叶轮的对外输出的扭矩，而轴向方向分力为零，同时气流做功通道与蜗流扩张导气通道相结合，实现做功气体的逐级扩张做功，使做功气体压力降到接近常压后才排入热交换器内，从而极大的提高了能量的利用率。

所述的控制系统，主要由点火高压电生成和控制系统、燃料喷入量控制系统、气体燃料减压控制系统、液体燃料气化控制系统、燃料切换控制系统、润滑油供给及润滑油温监控系统和做功装置、废气热交换器、燃烧室外部的保温系统七部分组成。以上所述的控制系统都是已工业化了的产品，所以在市场可以很方便的买到。

该发动机的优点在于：

滑片式压气装置和切向多级扩张叶轮式做功装置都属于容积式结构，因此对能源的利用效率高，特别是在小排量低转速时容积式结构的效率远远高于动力式(速度式)结构。独立的燃烧室不再需要水冷系统，节约了制造和使用水冷系统所耗用的资源；独立的燃烧室与废气热交换器相结合，不仅节约了原来水冷系统所散失的能量(大约5％--10％)同时废气热交换器可再利用外排的部分废气能量(大约5％--40％或更高)，因此节能效果极为明显；独立的燃烧室实现了燃料在相对稳定的中等压力下均匀的充分的燃烧，使排放的污染物大为减少或降为零，可实现最高的环保要求；独立的燃烧室改变了对石油能源的依赖，使达到环保要求的多数能源都可以使用，如气态能源有氢气、天然气、干冰、沼气等，如液态能源有乙醇和汽油、柴油石油类能源，(其中氢气、沼气、乙醇是环保型可再生资源，特别是乙醇，从工业的生产到贮存、运输、以及使用，其特性在可再生资源中是最优的)，使该发动机特别适用于车用发动机。

与现广泛使用的车用活塞式发动机相比，该发动机具有零怠速和微扭矩起动的特性，工作时运行平稳，振动、噪音小，制造时所用零部件少，耗用原材料、能源少，结构简单，制造成本低，转型时对活塞式发动机机械加工产业链冲击特别小；与现比较流行的既有活塞式机械动力系统又有燃烧电池动力系统的车用双动力相比较，只需要单一的机械动力系统，却能使用包括氢气在内的多种燃料，不仅实现了高环保和再生能源的可持续发展的要求，同时节约了制造双动力系统的原材料，使制造加工这种单一动力系统更简易，使用性能更可靠，维护修理更简单；综上所述，容积式持续燃烧式发动机在石油资源日益短缺的形势下，将有可能取代现在的车用发动机。

(四)附图说明：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的滑片式压气装置的与轴线平行的剖面示意图；

图3为本实用新型的滑片式压气装置的与轴线垂直的剖面示意图；

图4为本实用新型的废气热交换器内部结构示意图；

图5为本实用新型的燃烧室的内部结构示意图；

图6为本实用新型的切向多级扩张叶轮式做功装置结构示意图。

(五)具体实施例：

容积式持续燃烧式发动机，主要由滑片式压气装置、切向多级扩张叶轮式做功装置、废气热交换器(5)、燃烧室(6)和控制系统组成。压气装置的进气导流罩(1)为进气口，压气装置的出气口(3f)与废气热交换器(5)的热交换管板(5b)的进气导管(5a)连通，热交换管板(5b)的出气导管(5d)和燃烧室(6)的进气口(6c)连通，燃烧室(6)的出气口(6h)和切向多级扩张叶轮式做功装置的进气口(9c)连通，切向多级扩张叶轮式做功装置的出气口(9a)和废气热交换器(5)的进气导管(5e)连通，压气装置的外贯穿轴(4f)上的拨叉(4k)和切向多级扩张叶轮式做功装置上的花键轴(8)固定连接。

所述的滑片式压气装置：进气导流罩(1)由金属薄板冲压而成，安装在压气装置的外壳上；自调压总成(2)主要由气门阀(2d)、微压弹簧(2c)、铜合金导槽(2b)、导向滑块(2e)、油毡(2a)和自调压外壳(2)组成，自调压总成(2)安装在压气气缸总成(3)的气缸(3b)上，导槽(2b)固定在自调压外壳(2)上，导向滑块(2e)固定在气门阀(2d)上，气门阀(2d)在导槽(2b)内定向滑动连接；压气气缸总成(3)主要由气缸(3b)、两个气缸端盖(3a)、(3d)组成；滑片轴总成(4)由轴承(4a)、外贯穿式滑片(4e)、外贯穿轴(4f)、转子(4i)、侧板(4d)、油封(4g)组成，滑片轴总成(4)由轴承(4a)和压气气缸总成(3)的气缸端盖(3a)、(3d)定位在压气气缸总成(3)的腔体内；气缸(3b)、转子(4i)、侧板(4d)和侧板(4d)以内的外贯穿式滑片(4e)组成了压气单元；外贯穿轴(4f)、转子(4i)、侧板(4d)相互间由销和螺栓定位联接，外贯穿轴(4f)上的拨叉(4k)从花键轴(8)上得到动力，该动力带动转子(4i)、外贯穿式滑片(4e)和侧板(4d)在气缸(3b)内旋转，使压气单元实现压气功能；外贯穿式滑片(4e)由滑片(4e)、外卸载轴承(4c)、心轴(4j)、弹簧支架(4b)和外贯穿弹簧(4h)组成，外贯穿式滑片(4e)在转子(4i)的槽内滑动连接，滑片(4e)的材料选用金属；外卸载轴承(4c)的心轴(4j)的轴心到滑片(4e)的中心向滑片运动的反方向偏移0-5mm，外卸载轴承(4c)和弹簧支架(4b)设置在侧板(4d)外侧的滑片(4e)上，弹簧支架(4b)上穿有外贯穿弹簧(4h)，外贯穿弹簧(4h)从外贯穿轴(4f)上开的贯穿槽内穿过，弹簧支架(4b)和外贯穿弹簧(4h)实现了滑片的贯穿功能，侧板(4d)将推力均匀的作用到滑片(4e)上。

所述的废气热交换器(5)主要由热交换器外壳(5c)、热交换管板(5b)和导管(5a)、(5d)、(5e)组成，热交换管板(5b)设在热交换器外壳(5c)腔体内，导管(5e)将从节向多级做功装置的出气口(9a)排出的废气引入热交换器外壳(5c)的腔体内，导管(5a)引导已压缩了的空气从(3f)进入热交换管板(5b)内，热交换器外壳(5c)和热交换管板(5b)由金属板冲压焊接而成。

所述的燃烧室(6)主要由外壳(6a)、燃烧腔(6b)和火花喷气塞(6f)三部分组成。外壳(6a)由金属板冲压焊接而成，燃烧腔(6b)底部与外壳(6a)焊接在一起；火花喷气塞(6f)安装在外壳(6a)的底部，火花喷气塞(6f)上安装有陶瓷(6g)式放电火花针(6d)，火花喷气塞上开有燃料喷孔(6e)。

所述的切向多级扩张叶轮式做功装置：由做功外壳(10)、做功叶轮(8a)、花键轴(8)、蜗流扩张导气通道总成(9)、做功外壳端盖(10b)、轴承(10c)和轴承端盖(10d)组成。做功叶轮(8a)由带有花键孔的轮体和生成一体的均匀分布在轮体圆周上的多个叶片构成，叶片为矩形；蜗流扩张导气通道(9b)是一个进气口小而出气口大在空间位置上象蜗牛壳形状的螺旋形导气通道；做功叶轮(8a)设置在做功外壳(10)的叶轮腔内，做功叶轮(8a)用套筒定位在花键轴(8)上，花键轴(8)通过轴承(10c)和做功外壳端盖(10b)转动连接；做功外壳(10)和叶轮(8a)的轮体构成了气流做功通道(10a)，气流做功通道(10a)与蜗流扩张导气通道(9b)相连接，蜗流扩张导气通道(9b)与下一级的气流做功通道(10a)相联接，同一侧的蜗流扩张导气通道(9b)组成一个蜗流扩张导气通道总成(9)。

润滑油的供油管(7)将润滑油送到轴承座内，在压气装置上润滑油从回油孔(3c)流入回油管(7)，在做功装置上润滑油经轴承端盖(10d)流入回油管(7)。

所述的控制系统，包括点火高压电生成和控制系统、燃料喷入量控制系统、气体燃料减压控制系统、液体燃料气化控制系统、燃料切换控制系统、润滑油温监控系统和做功装置、废气热交换器、燃烧室外部的保温系统。为现有技术。以上所述的控制系统都是已工业化了的产品，在市场可以很方便的买到。

Claims (7)

1、一种容积式持续燃烧式发动机，包括控制系统、润滑系统，其特征是：其压气装置为滑片式压气装置，燃烧室为独立的持续燃烧室，做功装置为切向多级扩张叶轮式做功装置，还有一个预热空气的废气热交换装置，其滑片式压气装置的进气口为进气导流罩(1)，压气装置的出气口(3f)与废气热交换器(5)的热交换管板(5b)的进气导管(5a)连通，热交换管板(5b)的出气导管(5d)和燃烧室(6)的进气口(6c)连通，燃烧室(6)的出气口(6h)和切向多级扩张叶轮式做功装置的进气口(9c)连通，切向多级扩张叶轮式做功装置的出气口(9a)和废气热交换器(5)的进气导管(5e)连通，压气装置的外贯穿轴(4f)上的拨叉(4k)和切向多级扩张叶轮式做功装置上的花键轴(8)固定连接，同速转动。

2、根据权利要求1所述的一种容积式持续燃烧式发动机，其特征是所述的滑片式压气装置，主要由进气导流罩(1)、自调压总成(2)、压气气缸总成(3)和滑片轴总成(4)组成，进气导流罩(1)安装在压气气缸总成(3)的外壳上，自调压总成(2)安装在压气气缸总成(3)的气缸(3b)上，滑片轴总成(4)由轴承(4a)和压气气缸总成(3)的气缸端盖(3a)、(3d)定位在压气气缸总成(3)的腔体内。

3、根据权利要求1和2所述的一种容积式持续燃烧式发动机，其特征是所述的压气装置的自调压总成(2)主要由气门阀(2d)、微压弹簧(2c)、导槽(2b)、导向滑块(2e)、油毡(2a)和自调压外壳(2)组成，导槽(2b)固定在自调压外壳(2)上，导向滑块(2e)固定在气门阀(2d)上，气门阀(2d)在导槽(2b)内定向滑动连接。

4、根据权利要求1和2所述的一种容积式持续燃烧式发动机，其特征是所述的压气装置的滑片轴总成(4)由轴承(4a)、外贯穿式滑片(4e)、外贯穿轴(4f)、转子(4i)、侧板(4d)、油封(4g)组成；外贯穿式滑片(4e)在转子(4i)的槽内滑动连接；外贯穿式滑片(4e)由滑片(4e)、外卸载轴承(4c)、心轴(4j)、弹簧支架(4b)和外贯穿弹簧(4h)组成；外卸载轴承(4c)的心轴(4j)到滑片(4e)的中心向滑片运动的反方向偏移0-5mm，外卸载轴承(4c)和弹簧支架(4b)设置在侧板(4d)外侧的滑片(4e)上，弹簧支架(4b)上穿有外贯穿弹簧(4h)，外贯穿弹簧(4h)从外贯穿轴(4f)上开的贯穿槽内穿过；压气单元由气缸(3b)、转子(4i)、侧板(4d)和侧板(4d)以内的外贯穿式滑片(4e)组成；外贯穿轴(4f)、转子(4i)、侧板(4d)相互间由销和螺栓定位联接。

5、根据权利要求1所述的一种容积式持续燃烧式发动机，其特征是所述的废气热交换器(5)主要由热交换器外壳(5c)、热交换管板(5b)和导管(5a)、(5d)、(5e)组成，热交换管板(5b)在热交换器外壳(5c)的腔体内，导管(5a)、(5d)与热交换管板(5b)连通，导管(5e)和热交换器外壳(5c)连通。

6、根据权利要求1所述的一种容积式持续燃烧式发动机，其特征是所述的燃烧室(6)由外壳(6a)、燃烧腔(6b)和火花喷气塞(6f)三部分组成，外壳(6a)由金属板冲压焊接而成，燃烧腔(6b)底部与外壳(6a)焊接在一起；火花喷气塞(6f)安装在外壳(6a)的底部，火花喷气塞(6f)上安装有陶瓷(6g)式放电火花针(6d)，火花喷气塞上开有燃料喷孔(6e)。

7、根据权利要求1所述的一种容积式持续燃烧式发动机，其特征是所述的切向多级扩张叶轮式做功装置由做功外壳(10)、做功叶轮(8a)、花键轴(8)、蜗流扩张导气通道总成(9)、做功外壳端盖(10b)、轴承(10c)和轴承端盖(10d)组成，做功叶轮(8a)由带有花键孔的轮体和生成一体的均匀分布在轮体圆周上的多个叶片构成，叶片为矩形；蜗流扩张导气通道(9b)是一个进气口小而出气口大在空间位置上象蜗牛壳形状的螺旋形导气通道；做功叶轮(8a)设置在做功外壳(10)的叶轮腔内，做功叶轮(8a)用套筒定位在花键轴(8)上，做功外壳(10)和叶轮(8a)的轮体构成了气流做功通道(10a)，气流做功通道(10a)与蜗流扩张导气通道(9b)相连接，蜗流扩张导气通道(9b)与下一级的气流做功通道(10a)相联接，同一侧的蜗流扩张导气通道(9b)组成一个蜗流扩张导气通道总成(9)。

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