专利名称：四冲程光热发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及能源技术领域，特别是涉及一种无污染的将平行光束的能量转换为机 械能的发动机装置。
背景技术：
发动机，又称为引擎，是一种能够把一种形式的能转化为另一种更有用的能的机 器，通常是把化学能转化为机械能。回顾发动机产生和发展的历史，它经历了外燃机和内燃 机两个发展阶段。所谓外燃机，就是说它的燃料在发动机的外部燃烧，发动机将这种燃烧产生的热 能转化成动能，瓦特改良的蒸汽机就是一种典型的外燃机，当大量的煤燃烧产生热能把水 加热成大量的水蒸汽时，高压便产生了，然后这种高压又推动机械做功，从而完成了热能向 动能的转变。外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，因它是在1816年为苏格 兰的R.斯特林所发明，故又称斯特林发动机。新型外燃机使用氢气作为工质，在四个封闭 的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩， 然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器 传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问 题，从而实现了低噪音、低污染和低运行成本。目前研制的外燃机可以燃烧各种可燃气体， 如天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧 木材，以及利用太阳能等。只要热腔达到700°C，设备即做功运行，环境温度越低，发电效率 越高。外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。但 是，斯特林发动机还存在许多问题，例如膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本 高，热量损失是内燃发动机的2-3倍，工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问 题，功率调节控制系统较复杂，机器较为笨重。在多数场合下，仍然需要燃烧过程才可以实 现做功。所以，还不能成为大批量使用的发动机。内燃机(Internal combustion engine)是将液体或气体燃料与空气混合后，直接 输入机器内部燃烧产生热能再转化为机械能的一种热机。与外燃机的最大不同在于它的燃 料在其内部燃烧。内燃机的种类十分繁多，我们常见的汽油机、柴油机是典型的内燃机。我 们不常见的火箭发动机和飞机上装配的喷气式发动机也属于内燃机。内燃机最大的缺点是 要燃烧和消耗化石燃料，同时还要排出的含有害气体的废气。为了节约日益枯竭的化石能源，缓解严峻的资源短缺问题，减少污染，保护人类赖 以生存的生态环境，需要一种新的能量转换装置，包括利用太阳能。在众多的太阳能利用技术中，最为常见的有太阳能光伏发电、太阳能光热发电、太 阳能热水器等。目前已经有将斯特林发动机安装在太阳光的聚焦处进行发电的实例，但由 于斯特林发动机具有上述各种缺点而未能在太阳能的利用中得到推广和普及。
发明内容
针对上述各种问题，本发明提供一种新型发动机，这种发动机具有传统的内燃机 特点，易于制造、成本低廉，但不使用化石燃料，而采用平行光束作为能量来源，没有任何污 染气体排放，低噪音，对环境没有任何污染。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是一种四冲程光热发动机，它包括气 缸、曲轴箱、曲轴、连杆、活塞、光热转换器、进气门、进气门凸轮、排气门、排气门凸轮、遮光 罩、会聚透镜、平面反射镜。其中活塞安装在气缸内，可以沿气缸上下运动，曲轴安装在曲轴 箱内，曲轴通过连杆与活塞相连。曲轴通过公知的机械技术与进气门凸轮和排气门凸轮联接传动，进气门凸轮控制 进气门运动，实现对气缸的进气，排气门凸轮控制排气门运动，实现对气缸的排气。会聚透镜安装在气缸的上部，与气缸和活塞共轴线。遮光罩安装在气缸内部，位于 会聚透镜和活塞的上止点之间。遮光罩中心有小孔。会聚透镜的焦点位于遮光罩中心小孔 内。光热转换器安装在气缸内，位于遮光罩和活塞的上止点之间。光热转换器用极簿的材 料制作，以保证具有很小的热容量，具有耐高温，物理性质稳定，不易挥发的特点。光热转换 器表面涂有对光波能量吸收率很高的涂层，有很高的光热转换效率。当进气门、排气门闭合时，由气缸、活塞、进气门、排气门、会聚透镜共同构成密闭 的气体工质的压缩腔体。由气缸、活塞、进气门、排气门、遮光罩共同构成对气体工质的加热腔体。在加热腔 体内壁，即气缸内壁、活塞的顶部、进气门的内侧、排气门的内侧、遮光罩朝向活塞的一侧， 均有很高的光洁度，涂镀有高反射率的涂层，对光线有很高的反射率。平面反射镜安装在气缸的外部，反射表面与气缸的轴线之间的夹角为45°，并沿 气缸轴线方向平移运动。平行光束的种类包括太阳光、激光、照明灯光以及将太阳光采用聚光技术而得到 的平行聚光太阳光束。平行光束从气缸外部经过，并与气缸的轴线之间的夹角为90°，与平 面反射镜之间的夹角为45°。在本发明的第一个冲程的工作过程，即吸气过程中，活塞从上止点向下止点运动， 进气门打开，排气门关闭，气缸内吸入低温气体。平面反射镜不对平行光束进行反射。平行 光束从气缸外部经过。在本发明的第二个冲程的工作过程，即压缩过程中，活塞从下止点向上止点运动， 进气门关闭，排气门关闭，活塞对在压缩腔体内的气体工质进行压缩。平面反射镜不对平行 光束进行反射。平行光束从气缸外部经过。在本发明的第三个冲程的工作过程，S卩加热做功过程中，活塞从上止点向下止点 运动过程中，进气门关闭，排气门关闭，平面反射镜沿气缸轴线向下运动，将平行光束反射 至会聚透镜，经会聚透镜聚集，经过遮光罩中心小孔，再发散射向光热转换器上。光热转换 器吸收光能后温度升高，加热压缩腔体内部的气体工质。照射在光热转换器上的光线中，有 少部分被反射，经过加热腔体内壁上的反射涂层的反射，最终使大部分光线被光热转换器 吸收并转换为热能。遮光罩用于减少光线通过会聚透镜向气缸以外幅射，提高对光能的转 化利用率。只有少部分光线可以通过遮光罩的中心小孔和会聚透镜向外辐射出去而不被 利用。光热转换器吸收光能并转换为热能加热气体工质后，气体工质受热膨胀，推动活塞做功，并通过曲轴输出机械能，从而实现不燃烧化石能源而实现机械能的输出的目的。由于光 热转换器对气体工质加热的过程是物理过程，而非化学过程，因此不会产生新的物质排放， 尤其是污染气体的排放。同时，光热转换器对气体工质加热的过程是一个接近于线性增长 的过程，与常规内燃机的点火或压燃方式相比，在气体工质的温度升高与内部压力增大的 过程不会有太大的噪音产生，从而实现低噪音，无污染的能量转换目的。在本发明的第四个冲程的工作过程，即排气过程中，活塞从下止点向上止点运动， 进气门关闭，排气门打开，气缸内的高温气体工质随着活塞的上行而排出，平面反射镜不对 平行光束进行反射，平行光束从气缸外部经过。多个气缸可以组成多缸发动机，通过平面反射镜对平行光束按时序反射，为各个 气缸提供能量，从而实现大功率、平稳的机械能输出。
图1是本发明的构造原理图；图2是本发明的第一冲程的工作过程示意图；图3是本发明的第二冲程的工作过程示意图；图4是本发明的第三冲程的工作过程示意图；图5是本发明的第四冲程的工作过程示意图。图中标号说明如下10-气缸、11-曲轴箱、12-曲轴、13-连杆、14-活塞、15-光热转换器、17-进气门、 18-进气门凸轮、20-排气门、21-排气门凸轮、22-遮光罩、23-会聚透镜、24-平面反射镜、 25-平行光束。
具体实施例方式如图1所示，本发明是一种四冲程光热发动机，它包括气缸10、曲轴箱11、曲轴12、 连杆13、活塞14、光热转换器15、进气门17、进气门凸轮18、排气门20、排气门凸轮21、遮光 罩22、会聚透镜23、平面反射镜24。其中活塞14安装在气缸10内，可以沿气缸10上下运 动。曲轴12安装在曲轴箱11内，曲轴12通过连杆13与活塞14相连。曲轴12通过公知的机械技术与进气门凸轮18和排气门凸轮21联接传动。进气门 凸轮18控制进气门17运动，实现对气缸10的进气。排气门凸轮21控制排气门20运动， 实现对气缸10的排气。会聚透镜23安装在气缸10的上部，与气缸10和活塞14共轴线。遮光罩22安装在气缸10内部，位于会聚透镜23和活塞14的上止点之间。遮光 罩22中心有小孔。会聚透镜23的焦点位于遮光罩22中心小孔内。光热转换器15安装在气缸10内，位于遮光罩22和活塞14的上止点之间。光热 转换器15用极簿的材料制作，以保证具有很小的热容量，具有耐高温，物理性质稳定，不易 挥发的特点。光热转换器15表面涂有对光波能量吸收率很高的涂层，有很高的光热转换效 率。当进气门17、排气门20闭合时，由气缸10、活塞14、进气门17、排气门20、会聚透
镜23共同构成密闭的气体工质的压缩腔体。
由气缸10、活塞14、进气门17、排气门20、遮光罩22共同构成对气体工质的加热 腔体。在加热腔体内壁，即气缸10内壁、活塞14的顶部、进气门17的内侧、排气门20的内 侧、遮光罩22朝向活塞14的一侧，均有很高的光洁度，涂镀有高反射率的涂层，对光线有很 高的反射率。平面反射镜M安装在气缸10的外部，反射表面与气缸10的轴线之间的夹角为 45°，并沿气缸10轴线方向平移运动。平行光束25的种类包括太阳光、激光、照明灯光和将太阳光采用聚光技术而得到 的平行聚光太阳光束。平行光束25从气缸10外部经过，并与气缸10的轴线之间的夹角为90°，与平面 反射镜M之间的夹角为45°。当平面反射镜M沿气缸10轴线方向平移运动至其中一个 合适位置时，平行光束25经平面反射镜M的反射，全部沿气缸10轴线射向会聚透镜23，经 会聚透镜23聚集，经过遮光罩22中心小孔，再发散射向光热转换器15上。如图2所示，说明了本发明的第一个冲程的工作过程，即吸气过程。活塞14从上 止点向下止点运动过程中，进气门17打开，排气门20关闭，气缸10内吸入低温气体。平面 反射镜M不对平行光束25进行反射。平行光束25从气缸10外部经过。如图3所示，说明了本发明的第二个冲程的工作过程，即压缩过程。活塞14从下 止点向上止点运动过程中，进气门17关闭，排气门20关闭，活塞14对在压缩腔体内的气体 工质进行压缩。平面反射镜M不对平行光束25进行反射。平行光束25从气缸10外部经 过。如图4所示，说明了本发明的第三个冲程的工作过程，S卩加热做功过程。活塞14从 上止点向下止点运动过程中，进气门17关闭，排气门20关闭，平面反射镜M沿气缸10轴 线向下运动，将平行光束25反射至会聚透镜23，经会聚透镜23聚集，经过遮光罩22中心小 孔，再发散射向光热转换器15上。光热转换器15吸收光能后温度升高，加热压缩腔体内部 的气体工质。照射在光热转换器15上的光线中，有少部分被反射，经过加热腔体内壁上的 反射涂层的反射，最终使大部分光线被光热转换器15吸收并转换为热能。遮光罩22用于减 少光线通过会聚透镜23向气缸10以外幅射，提高对光能的转化利用率。只有少部分光线 通过遮光罩22的中心小孔和会聚透镜23向外辐射出去而不被利用。光热转换器15吸收 光能并转换为热能加热气体工质后，气体工质受热膨胀，推动活塞14做功，并通过曲轴12 输出机械能，从而实现不燃烧化石能源而实现机械能的输出的目的。由于光热转换器15对 气体工质加热的过程是物理过程，而非化学过程，因此不会产生新的物质排放，尤其是污染 气体的排放。同时，光热转换器15对气体工质加热的过程是一个接近于线性增长的过程， 与常规内燃机的点火或压燃方式相比，在气体工质的温度升高与内部压力增大的过程不会 有太大的噪音产生，从而实现低噪音，无污染的能量转换目的。如图5所示，说明了本发明的第四个冲程的工作过程，即排气过程。活塞14从下 止点向上止点运动过程中，进气门17关闭，排气门20打开，气缸10内的高温气体工质随着 活塞14的上行而排出，平面反射镜M不对平行光束25进行反射，平行光束25从气缸10 外部经过。多个气缸组成多缸发动机，通过平面反射镜M对平行光束25按时序反射，为各个 气缸提供能量，从而实现大功率、平稳的机械能输出。
权利要求
1.一种四冲程光热发动机，其特征在于它包括气缸(10)、曲轴箱(11)、曲轴(12)、 连杆(13)、活塞(14)、光热转换器(15)、进气门(17)、排气门(20)、遮光罩(22)、会聚透镜(23)、平面反射镜(24)、平行光束(25)；其中活塞(14)安装在气缸(10)内，沿气缸(10)上 下运动；曲轴(12)安装在曲轴箱(11)内，曲轴(12)通过连杆(13)与活塞(14)相连。
2.根据权利要求1所述的四冲程光热发动机，其特征在于会聚透镜(23)安装在气缸 (10)的上部，与气缸(10)和活塞(14)共轴线；遮光罩(22)安装在气缸(10)内部，位于会 聚透镜(23)和活塞(14)的上止点之间；遮光罩(22)中心有小孔；会聚透镜(23)的焦点位 于遮光罩(22)中心小孔内；光热转换器(15)安装在气缸(10)内，位于遮光罩(22)和活塞 (14)的上止点之间；光热转换器(15)表面涂有吸收光波能量的涂层，将光能转换为热能。
3.根据权利要求1所述的四冲程光热发动机，其特征在于当进气门(17)、排气门 (20)闭合时，由气缸(10)、活塞(14)、进气门(17)、排气门(20)、会聚透镜(23)共同构成密 闭的气体工质的压缩腔体。
4.根据权利要求1所述的四冲程光热发动机，其特征在于由气缸(10)、活塞(14)、进 气门(17)、排气门(20)、遮光罩(22)共同构成对气体工质的加热腔体；在加热腔体内壁，即 气缸(10)内壁、活塞(14)的顶部、进气门(17)的内侧、排气门(20)的内侧、遮光罩(22)朝 向活塞(14)的一侧，均有很高的光洁度，涂镀有高反射率的涂层，对光线有很高的反射率。
5.根据权利要求1所述的四冲程光热发动机，其特征在于平面反射镜(24)安装在气 缸(10)的外部，反射表面与气缸(10)的轴线之间的夹角为45°，沿气缸(10)轴线方向平 移运动。
6.根据权利要求1所述的四冲程光热发动机，其特征在于平行光束(25)包括太 阳光、激光、照明灯光以及将太阳光采用聚光技术而得到的平行聚光太阳光束；平行光束 (25)从气缸(10)外部经过，并与气缸(10)的轴线之间的夹角为90°，与平面反射镜(24) 之间的夹角为45° ；当平面反射镜(24)沿气缸(10)轴线方向平移运动至其中一个合适位 置时，平行光束(25)经平面反射镜(24)的反射，沿气缸(10)轴线射向会聚透镜(23)。
7.根据权利要求1所述的四冲程光热发动机，其特征在于在第一个冲程的工作过程 中，活塞(14)从上止点向下止点运动，进气门(17)打开，排气门(20)关闭，气缸(10)内吸 入低温气体，平面反射镜(24)不对平行光束(25)进行反射，平行光束(25)从气缸(10)外 部经过。
8.根据权利要求1所述的四冲程光热发动机，其特征在于在第二个冲程的工作过程 中，活塞(14)从下止点向上止点运动，进气门(17)关闭，排气门(20)关闭，活塞(14)对 气体工质进行压缩，平面反射镜(24)不对平行光束(25)进行反射，平行光束(25)从气缸 (10)外部经过。
9.根据权利要求1所述的四冲程光热发动机，其特征在于在第三个冲程的工作过程 中，活塞(14)从上止点向下止点运动，进气门(17)关闭，排气门(20)关闭，平面反射镜(24)沿气缸(10)轴线向下运动，将平行光束(25)反射至会聚透镜(23)，经会聚透镜(23) 聚集，经过遮光罩(22)中心小孔，再发散射向光热转换器(15)上；光热转换器(15)吸收光 能后温度升高，加热压缩腔体内部的气体工质，气体工质受热膨胀，推动活塞(14)做功，并 通过曲轴(12)输出机械能。
10.根据权利要求1所述的四冲程光热发动机，其特征在于在第四个冲程的工作过程中，活塞(14)从下止点向上止点运动，进气门(17)关闭，排气门(20)打开，气缸(10)内的 高温气体工质随着活塞(14)的上行而排出，平面反射镜(24)不对平行光束(25)进行反 射，平行光束(25)从气缸(10)外部经过；多个气缸组成多缸发动机，通过平面反射镜(24) 对平行光束(25)按时序反射，为各个气缸提供能量，实现大功率、平稳的机械能输出。
全文摘要
本发明公开了一种四冲程光热发动机，是一种将平行光束的能量转换为机械能的发动机装置。它包括气缸、曲轴箱、曲轴、连杆、活塞、光热转换器、进气门、排气门、遮光罩、会聚透镜、平面反射镜等。光热转换器位于气缸内部。平面反射镜沿气缸轴线向下运动，将平行光束反射至会聚透镜，经过遮光罩中心小孔，再发散射向光热转换器上。光热转换器吸收光能后温度升高，加热压缩腔体内部的气体工质，气体工质受热膨胀，推动活塞做功，并通过曲轴输出机械能，从而实现不燃烧化石能源而输出机械能的目的。制造容易、成本低廉，但不使用化石燃料，而采用平行光束作为能量来源，没有任何污染气体排放，低噪音，对环境没有任何污染。
文档编号F01B29/10GK102121461SQ20101060624
公开日2011年7月13日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者张德胜 申请人:张德胜