利用扫气道进气和排气的往复蓄热式内燃的制造方法
【专利摘要】该利用扫气道进气和排气的往复蓄热式内燃机包括压缩气缸、蓄热体、连通管、燃烧室和膨胀气缸，其结构要点在于所述蓄热体位于连接压缩气缸和膨胀气缸的连通管的通道中，压缩气缸被活塞分为预压缩腔和压缩腔两部分，通过扫气道连接。基本工作原理是当压缩气缸活塞从下止点向上止点运动时，预压缩腔进气，压缩腔空气被压缩，经过压缩的空气流过蓄热体加热，进入燃烧室和燃料燃烧，膨胀气缸的活塞从上止点下行，燃气膨胀做功。当膨胀气缸活塞上行时，压缩气缸活塞下行，做功后的燃气从膨胀气缸出来，反向通过燃烧器以及蓄热体，加热蓄热体并降低自身燃气温度，进入压缩腔，通过废气排气口排出，新空气通过扫气道进入压缩腔，完成一个动力循环。
【专利说明】利用扫气道进气和排气的往复蓄热式内燃机
【技术领域】
[0001]本发明涉及发动机，是一种利用扫气道进气和排气的往复蓄热式内燃机。
【背景技术】
[0002]发动机一般指的是热机，是一种将燃料或者其他能源转化为发动机内部工质的热能，并进一步转化为机械能的动力装置。内燃机是一种传统的，利用非常广泛的发动机，在工业，交通运输等行业领域有着重要应用。顾名思义，内燃机是一种燃料在气缸内部燃烧做功，最常见的是汽油机和柴油机。由于燃料燃烧是在短时间、间歇式等限制条件下进行的，造成燃料燃烧不充分，尾气污染严重，变工况效率差，发动机磨损，维护成本高，对燃料质量要求高，爆燃以及噪音振动等许多缺点。内燃机目前是一种相对成熟的技术，但其发展由于受到上述缺点影响而受到一定限制。
[0003]常见的汽油机和柴油机都是四冲程发动机，一个动力循环经过进气，压缩，膨胀做功和排气四个过程。两者最大区别在于汽油机是点燃式发动机，柴油机是压燃式发动机。汽油机比较轻巧，高的功率密度以及转速高等优点，但由于是点燃式，使得发动机压缩比不能过高，压缩过程中有爆燃的可能性，对燃料的辛烷值要求高，而且汽油机的效率相对于柴油机较低。柴油机是压燃式的，压缩冲程使得压缩空气的温度足够高，能够点燃喷入的燃料，高的压缩比使得发动机整体比较笨重。并且柴油机的燃烧过程以扩散燃烧为主，燃烧并不充分，有较多碳颗粒排放，对大气污染较重。
[0004]设计一种轻巧、高效率、低污染、低维护发动机在能源紧缺的时代有着重大意义。
【发明内容】
[0005]为了克服汽油机效率低，柴油机笨重以及内燃机普遍的污染严重，变工况效率低，噪声振动严重，运动部件多、维修频繁等问题，本发明提出了一种利用扫气道进气和排气的往复蓄热式内燃机。
[0006]该往复蓄热式内燃机包括压缩气缸、连通管、蓄热体、燃烧室和膨胀气缸，其结构要点在于压缩气缸的压缩气体出口通过连通管与膨胀气缸相连。所述连通管与膨胀气缸相连的接口同时作为膨胀气缸的进气口和排气口，此处称为膨胀气缸的进排气口，即当膨胀气缸活塞向下止点运动时，工质气体从所述进排气口进入，当膨胀气缸活塞向上止点运动排气时，工质气体从所述进排气口反向流出。所述的蓄热体为具有多孔通道的蓄热介质，能够对流经其多孔通道中的热气进行往复间歇的吸热、放热。蓄热体直接放置在所述的连通管中。蓄热体与膨胀气缸之间的连通管中设置燃烧器，并有相应的燃料喷嘴和火花塞。此外还可以利用膨胀气缸的气缸腔体作为燃烧室，并有相应的燃料喷嘴和火花塞。所述两种燃烧室也可以同时布置。所述压缩气缸被活塞分为上下两个腔体，上气缸称为压缩腔，下气缸称为预压缩腔。压缩腔与预压缩腔通过扫气道连接，气缸中部设有废气排气口，预压缩腔上有进气口，可以从外界环境吸入空气，进气口上设有簧片阀。
[0007]该往复蓄热式内燃机的基本工作原理是当压缩气缸活塞从下止点向上止点运动时，预压缩腔容积增大，压力变小，由于预压缩腔与外界环境存在压差，簧片阀打开，空气从外界进入预压缩腔。此时，压缩腔容积变小，其内的空气进一步压缩，并通过压缩气体出口流出，进入蓄热体。当压缩空气流经蓄热体的多孔通道时，蓄热体对压缩空气放热，提高压缩空气温度，经过蓄热体加热的空气进入燃烧室，与从燃料喷嘴出来的燃料混合燃烧，膨胀气缸由上止点向下止点运动，燃气膨胀对外做功。当膨胀气缸活塞从下止点向上止点运动时，压缩气缸活塞从上止点向下止点运动，膨胀做工后的燃气从膨胀气缸中流出，经过蓄热体的多孔通道，加热蓄热体，同时降低了自身温度，进入压缩气缸的压缩腔中，同时预压缩腔容积缩小，进气口的簧片阀由于内部压力大于外部压力而关闭，预压缩腔中的气体被压缩。随着压缩气缸活塞的进一步向下止点运动，位于压缩气缸中部，原先被压缩气缸活塞遮挡而密封的废气排气口和扫气道出口逐渐露出，由于没有活塞的遮挡，压缩腔内的废气从废气排气口排出，预压缩腔的气体通过扫气道流向压缩腔，进一步排出废气，并且向压缩腔冲入了新鲜空气。当压缩气缸活塞从下止点向上止点重新运动时，扫气道口和废气排气口逐渐被活塞遮挡，压缩腔内工质被压缩，循环重新开始。
[0008]所述的蓄热体的蓄热体介质通常为多孔陶瓷，金属波纹板以及金属丝网等，具有蓄热温度高，蓄放热效果好，价格较低等优点。
[0009]蓄热体与连通管管壁之间放置绝热体，以减小蓄热体对外界的传热损失。
[0010]改进方案:在压缩气缸出口与蓄热体之间连接一个冷却器。当压缩气缸压缩空气时，会产生较多的热量，用冷却器可以及时冷却，减少压缩机消耗的压缩功，并且可以隔绝温度较高的蓄热体对压缩气缸的影响。
[0011]采用蓄热体后，提高了进入燃烧室的空气温度，降低了发动机排出燃气的温度，因此大幅度提高了该往复蓄热式内燃机的热效率。此外，当发动机正常工作时，流出蓄热体的空气温度达到了燃料的着火点，喷入的燃料直接燃烧，当膨胀气缸活塞向下止点运动时，燃料的喷入和燃烧可以持续一定时间，不存在爆燃现象，发动机振动和噪声小，而且燃烧起始温度高，利于燃料的完全燃烧，减少污染。若在发动机启动阶段可以由火花塞点燃。发动机压比较小，整体重量轻。压缩气缸和膨胀气缸分开，使得膨胀过程更充分，提高了做功能力。
[0012]从整体结构上看，该往复蓄热内燃机温度最高的膨胀气缸部分没有控制气流进出的气门等运动部件，降低了气体流动过程中的节流损失，提高了可靠性。压缩腔采用了扫气道，利用了活塞自身运动对扫气道出口和废气排气口的启闭功能进行进气和排气，同样没有气门等运动部件。这些设计提高了结构的可靠性和使用寿命，同时也大幅降低了制造成本。
[0013]该往复蓄热式内燃机采用的蓄热体的介质具有很大的比表面积，可以在蓄热载体表面附着一些催化剂，比如一般内燃机常用的尾气处理的三元催化剂，当燃气从膨胀气缸排出经过蓄热体时，由于催化剂的作用使得碳氢化合物，一氧化碳以及氮氧化物等污染物浓度大大降低。
[0014]本发明相比于现有技术的优点是；
[0015]有较高的热力循环效率以及功率密度；结构简单，运动部件少，成本低，可靠性好，维护小；由于燃烧完全，并且方便内置催化剂，使得污染物排放降低；空气压比较小，发动机燃烧平稳，运动部件少，使得振动和噪声小；发动机的功率调节可以由燃料喷入量直接调节，避免了汽油机节气门的节气损失，提高了部分载荷时的效率。【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明实施方案的结构原理图。
[0017]图2是本发明改进方案的结构原理图。
[0018]图3是压缩气缸、膨胀气缸与连通管连接示意图。
[0019]图4是预压缩腔进气和压缩腔压缩过程中气体流动方向示意图。
[0020]图5是膨胀气缸排气和压缩腔进气过程中气体流动方向示意图。
[0021]图中序号名称为:1、预压缩腔，2、扫气道，3、压缩气缸，4、压缩腔，5、连通管，6、蓄热体，7、压缩气缸活塞，8、废气排气口，9、簧片阀，10、进气口，11、燃料喷嘴，12、燃烧室，13、膨胀气缸活塞，14、膨胀气缸,15、冷却器
【具体实施方式】
[0022]现结合附图，以具体实施为例对本发明做进一步说明。
[0023]如图1所示，该往复蓄热式内燃机主要包括压缩气缸3、连通管5、蓄热体6、燃烧室12和膨胀气缸14。压缩气缸3、连通管5与膨胀气缸14的连接方式如图3所示。压缩气缸3的压缩气体出口与连通管5 —端连接，连通管5另一端与膨胀气缸14连接。连通管5与膨胀气缸14的连接口作为膨胀气缸14的进排气口，即膨胀气缸14的气体进入和排出都通过此连接口。压缩气缸3被压缩气缸活塞7分为预压缩腔I和压缩腔4两部分。预压缩腔上有进气口 10，进气口 10上设有簧片阀9。压缩腔4和预压缩腔I通过扫气道2连通。连通管5从靠近压缩气缸3 —侧到靠近膨胀气缸14 一侧，依次设置蓄热体6和燃烧室7。燃烧室7上的设有燃料喷嘴11。蓄热体6为具有多孔通道的蓄热介质，在热力循环过程中有着间歇性的吸热放热作用。蓄热体6放在在连通管道5的管中间。
[0024]该发动机工作过程为压缩气缸活塞7上行，预压缩腔I内部容积增大，压强减小，簧片阀9打开，空气从进气口 10流入预压缩腔I。压缩腔4的容积减小，其内部气体压强增大，并且从压缩气体出口流出进入连通管5，再流入蓄热体6中的多孔通道中，与蓄热体6的介质发生热交换，压缩空气温度升高，蓄热体6的介质温度降低，预压缩腔进气和压缩腔压缩过程的气体流动方向如图4所示。经过加热后的压缩空气进入燃烧室12，同时燃料通过燃料喷嘴11进入燃烧室12，空气和燃料反应燃烧成为高温燃气，高温燃气通过膨胀气缸14的进排气口进入膨胀气缸，膨胀气缸活塞13从上止点下行，高温燃气膨胀做功。做功过程完成后，膨胀气缸活塞13上行，同时压缩气缸活塞7下行，温度较高的燃气通过膨胀气缸14的进排气口流出，反向通过燃烧室12，此时燃料喷嘴11已经关闭，燃气再反向进入蓄热体6的多孔通道中，加热蓄热体的介质，同时使得燃气自身温度降低，燃气进入压缩腔4中。当压缩气缸活塞7继续下行，使得扫气道2的出口以及废气排气口 8露出，与压缩腔4连通，燃气通过废气排气口 8排出外界，预压缩腔I中的空气通过扫气道2流入压缩腔，使得已经做功燃烧的燃气通过废气排气口 8排出，并且新空气进入压缩腔4中。膨胀气缸14排气和压缩腔4进气过程中气体流动方向如图5所示。
[0025]蓄热体6的蓄热载体表面附着催化剂，当燃气从膨胀气缸14排出的时候，经过蓄热体6冷却的同时，由于催化剂的作用使得燃气中的未燃尽的碳氢化合物和一氧化碳，以及燃烧过程中产生的氮氧化物等污染物降低。[0026]压缩气缸活塞7和膨胀气缸活塞13的直线运动可以通过传统内燃机的曲柄连杆机构或者斜盘结构转化为旋转运动输出。发动机的功率调节可以直接根据需要调节燃料喷入量。
[0027]改进方案:如图2，增加冷却器15，用来冷却压缩腔4出来的压缩空气，同时隔绝温度较高的蓄热体6对压缩腔4的影响。
【权利要求】
1.一种利用扫气道进气和排气的往复蓄热式内燃机，其包括压缩气缸(3)、膨胀气缸(14)，其特征在于所述压缩气缸(3)的压缩空气出口与膨胀气缸(14)之间通过连通管(5)连通，膨胀气缸(14)与所述连通管(5)相连的接口作为膨胀气缸(14)的进排气口，所述连通管(5)内放置对流经的气体进行往复间歇吸热、放热的具有多孔流道的蓄热体(6)，在蓄热体(6)与膨胀气缸(14)之间的连通管(2)中和/或膨胀气缸(14)中设置燃烧室(12)，燃烧室(12)设有相应的燃料喷嘴(11)，压缩气缸(3)被压缩气缸活塞(7)分为压缩腔(4)和预压缩腔(I)，预压缩腔⑴上设有进气口(10)，压缩腔⑷与预压缩腔⑴通过扫气道(2)连通，压缩腔⑷设有废气排气口(8)。
2.根据权利要求1所述的利用扫气道进气和排气的往复蓄热式内燃机，其特征在于所述的进气口(10)上设有簧片阀(9)。
3.根据权利要求1所述的利用扫气道进气和排气的往复蓄热式内燃机，其特征在于所述的蓄热体(6)的蓄热介质表面附着降低碳氢化合物，一氧化碳以及氮氧化物的催化剂。
4.根据权利要求1所述的利用扫气道进气和排气的往复蓄热式内燃机，其特征在于所述蓄热体出)与连通管(5)的管壁之间由绝热层隔绝。
5.根据权利要求1~4任意一项所述的利用扫气道进气和排气的往复蓄热式内燃机，其特征在于连通管(5)与膨胀气缸(14)的接口为所述膨胀气缸(14)的进排气口，即膨胀气缸(14)的进气和排气都通过此接口，进气和排气过程的流道相同，气流方向相反。
6.根据权利要求1~4任意一项所述的利用扫气道进气和排气的往复蓄热式内燃机，其特征在于该利用扫气道 进气和排气的往复蓄热式内燃机的功率通过燃料喷嘴(7)的燃料量进行控制。
7.根据权利要求1~4任意一项所述的利用扫气道进气和排气的往复蓄热式内燃机，其特征在于在压缩气缸(3)的压缩空气出口增设冷却器(15)，冷却器(15)的出口再连接连通管(5)。
8.根据权利要求1~4任意一项所述的利用扫气道进气和排气的往复蓄热式内燃机，其特征在于压缩气缸活塞(7)和膨胀气缸活塞(13)的直线运动通过曲柄连杆机构或者斜盘结构转化为旋转运动输出。
9.根据权利要求1所述的利用扫气道进气和排气的往复蓄热式内燃机，其特征在于所述的蓄热体出)的蓄热介质为多孔陶瓷、金属丝网或者波纹板。
【文档编号】F02M31/08GK104018932SQ201410246605
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】杨浩仁 申请人:杨浩仁