本发明涉及一种活塞式发动机及其循环方式，尤其能提高发动机系统的热效率，属于发动机技术领域。
技术背景
众所周知，发动机是人类社会不可或缺的动力装置，从人们日常生活中的代步工具：汽车、摩托车到大型客运货运工具都离不开发动机，虽然其热效率随着技术的进步也在不断地提高，但始终难以达到百分之五十以上的热效率，目前最好的四冲程汽油机也只能达到百分之四十的热效率，柴油机的热效率稍高些。现代活塞式发动机的循环方式及其结构决定了其很难再大幅度提高热效率，以四冲程活塞式发动机为例：四冲程活塞式发动机的运行过程分为吸气行程、压缩行程、做功行程及排气行程，其中吸气行程、压缩行程、排气行程是做负功的，而排气行程中损失的燃气热压能占整个燃料热值的四分之一以上，是主要的热能损失过程，再加上发动机缸壁散失的热能及各机件运行时的摩擦转化为热能的能量损失构成了整个发动机的能量损失，这部分损失的热能不断地积累，温度不断地升高，对发动机是有害的，所以还需装备冷却装置，耗功对其降温。如果能把这部分损失的对发动机有害的热能转化为发动机动力，那不仅仅能去除冷却装置，提高发动机热效率，节省燃料，减少燃料成本，而且对减少尾气排放，保护环境有很大的正面效应。本发明就怎样最大限度地利用发动机燃料热能，提高发动机热效率而公开一种以压缩空气作为吸收发动机余热的介质，并将其所吸收的余热转化为机械能的新的结构与循环方式的活塞式发动机。
技术实现要素：
附图说明
图1-1为进气过程示意图，图2-1为压气过程示意图，图3-1为点火做功过程示意图，图4-1为做功压缩过程示意图，图5-1为排气管总成结构示意图，图5-2为本发明所述气路抽象示意图。
图中各组件为：1压缩机缸、2做功机缸、3发动机冷却液缸、4燃烧室、5气热交换室、6冷却液缸空气吸热室、7压缩机缸做功机缸及曲轴箱空气吸热室、8压缩机缸做功机缸冷却液室、9输气管、10缓冲贮气缸、11冷却液缸耐压壳体、12冷却液缸保温绝热层、13压缩机做功机及曲轴箱耐压壳体、14压缩机做功机及曲轴箱保温绝热层、15压缩机进气门、16压缩机排气门、17做功机进气门、18做功机排气门、19定压自开阀启闭活塞柱、20冷却液泵、21火花塞、22喷油嘴、23温度传感器、24气热交换室耐压壳体、25气热交换室保温绝热层、26冷却液缸盖子、27排气管空气吸热室进气口、28排气管空气吸热室出气口、29压缩机进气口、30做功机排气口、31排气管空气吸热室、32排气管热交换管、33排气管耐压壳体及保温绝热层、34气热交换室单向阀、35三元催化室、36缓冲贮气缸单向阀、37排气管空气吸热室进气口单向阀、38排气管空气吸热室出气口单向阀、39定压自开阀定压弹簧、40定压自开阀壳体、41定压自开阀弹簧压力调节螺丝、42压缩机、43做功机、44其他类型发动机、45本发动机第一热源、46本发动机第二热源、47本发动机燃烧室、48其他类型发动机第一热源、49其他类型发动机第二热源、50单向阀、51动力输出、52空气吸热室、53压缩机排气门单向阀、54本发动机第一热源空气吸热室进气口单向阀、55本发动机第二热源空气吸热室进气口单向阀、56燃烧室空气吸热室进气口单向阀、57做功机进气门单向阀、58做功机排气口、59定压自开阀、60其他类型发动机气缸吸热室进气口单向阀、61、62其他类型发动机有利用价值的热源的空气吸热室进气口单向阀。
本发明所述发动机由压缩机1，做功机2，缓冲贮气缸10，发动机冷却液缸3，燃烧缸总成4，5，34，排气管总成31，32，33，定压自开阀总成19，39，40，41，气路及单向阀等构成。压缩机负责吸入与压缩空气，做功机负责将燃气热压能转换成机械能并排除废气。压缩机缸1与做功机缸2缸壁外依次套有冷却液室8和空气吸热室7，两室之间用耐压导热性能佳的缸壁隔绝，最外两层依次是耐压壳体13与保温绝热层14。缓冲贮气缸10容积相比于压缩机缸1容积要大，以缓冲从压缩机缸压出的空气，使其压强不至于增大得太快，这样压缩机的排气背压也不会增大得太快，以使压缩机压缩空气更省力。发动机冷却液缸3与压缩机和做功机缸体外的冷却液室8相通，由冷却液泵20带动冷却液在冷却液室8与冷却液缸3之间循环，带走压缩机和做功机多余的热量，以便发动机在合适的温度范围内工作，发动机冷却液缸缸外依次套有空气吸热室6，耐压壳体11和保温绝热层12。燃烧缸是发动机燃料与空气混合燃烧的场所，由燃烧室4，三元催化室35，气热交换室5，火花塞21，喷油枪22，温度传感器23组成，外面依次是耐压壳体24，保温绝热层25。定压自开阀总成由启闭活塞柱19，定压弹簧39，壳体40及定压弹簧压力调节螺丝41构成，启闭活塞柱19上端受到定压弹簧压力下行堵住出气口，阻断燃烧缸与做功机之间的气路，做功机不做功，当启闭活塞柱下端的气体压力大于上端定压弹簧设定的压力时，启闭活塞柱上行，被堵住的出气口打通，燃烧缸与做功机之间的气路连通，做功机做功。排气管总成是本发动机排气与热交换的重要部件，特别是与其他类型发动机联合运行时也是其他类型发动机的排气管，是吸收其他类型发动机排出的高温高压尾气热量的主要部件，其进气口30与发动机排气口30相连接，其内部布有空气吸热室31与多个热交换管32，热交换管与空气吸热室相连通，排气管空气吸热室进气口27与做功机空气吸热室7相连，排气管空气吸热室出气口28与燃烧缸气热交换室5相连，排气管空气吸热室进气口27与出气口28设有单向阀，吸热后的高温高压新鲜空气只能由进气口27经热交换管32经空气吸热室31再经出气口28到燃烧缸单向流动，这样就能把排气管总成吸收的尾气热量单向输送到燃烧缸再到做功机转化为机械能。本发明所述发动机的压缩机与做功机的活塞连杆机构可以同曲轴，也可以各自拥有曲轴(双曲轴)，具体设计因相关应用而定，本文为图示直观清楚，采用双曲轴发动机示意图图示。
具体实施方式：
为清楚简单描述本发明所述具体实施方式，首先定义本发动机的气路概念。本发明所述发动机气路是压缩空气及高温高压燃气所经过的各输气管与缸室的路径，由单向阀根据单向阀两边的气压差自动开关单向阀，气流在单向阀的控制下只能由压缩机向做功机单向流动；气路也是压缩空气吸收发动机各热源热量与燃料燃烧的场所。本发动机以单向阀为控制节点分为若干段气路。压缩机排气门16经缓冲贮气缸10到单向阀36之间的气路为第一气路；单向阀36经发动机冷却液缸空气吸热室6再经压缩机缸与做功机缸空气吸热室7到燃烧缸气热交换室5的进气口单向阀34与排气管空气吸热室进气口单向阀37之间的气路为第二气路；燃烧缸气热交换室进气口单向阀34与排气管空气吸热室出气口单向阀38经气路9到定压自开阀19之间的气路为第三气路；定压自开阀19到做功机进气门之间的气路为第四气路。以单向阀为控制节点设计气路要以发动机各单元正常工作温度范围为依据，相同的正常工作温度范围的单元可以设计在同一气路中，比如本发明第二气路就是由包围在压缩机、做功机与发动机冷却液缸室外的空气吸热室6、7组成，因为压缩机与做功机最合适的工作温度范围都是在九十五度左右，这样在单向阀的自动控制下，第三气路燃烧室点火爆燃时过高温度燃气就不会逆流到要求工作温度范围较低的第二气路中去，以免给第二气路所对应的机件正常工作带来负面影响。
本发明具体分二种方案实施
第一种方案：单机运行。
1、进气，如图1-1，发动机在启动机的带动下曲轴开始转动，压缩机1活塞下行，进气门15在压缩机气缸负压作用下被吸开，新鲜空气由进气口29进入气缸1内；同时做功机活塞上行，排气门18在凸轮摇臂机构作用下打开(这是现有成熟技术，这里不做描述)，做功机进气门此时关闭，此时因第一、第二、第三气路内气体压强小于定压自开阀定压弹簧39所设定的作用在启闭活塞柱19上的压力，启闭活塞柱19未能被顶开，做功机与第一、第二、第三气路未连通，做功机处于空排状态。当曲轴转到一百八十度时，压缩机活塞运行至下止点，做功机活塞运行至上止点，吸气行程结束，压缩机进气门15，做功机排气门18关闭，压缩机进气行程结束。
2、压缩，如图2-1，压缩机1活塞由下止点上行，做功机2活塞由上止点下行，当压缩机1内空气压强大于缓冲贮气缸10内空气压强时，压缩机排气门16被顶开，压缩空气依次进入第一第二第三气路，此时第一、第二、第三气路内空气压强依然小于定压自开阀弹簧39设定的作用在启闭活塞柱上的压强，启闭活塞柱19未被顶开，第一、第二、第三气路与做功机未连通，做功机进气门17在凸轮摇臂机构作用下打开，但因气路未连通，做功机不做功。当发动机曲轴由一百八十度转至三百六十度、压缩机1活塞运行至上止点，做功机2活塞运行至下止点，压缩行程结束，压缩空气被压入第一第二第三气路。
3、点火做功。压缩机连续进行几个进气压缩行程后，第一第二第三气路内的压缩空气压强大于定压自开阀弹簧39设定的作用在启闭活塞柱19上的压强时，启闭活塞柱上行，第一第二第三气路即将与第四气路连通时，燃烧室4内喷油枪22喷油，火花塞21点火，燃烧室内混合油气爆炸燃烧，温压急剧增大，单向阀34和单向阀38在急剧增大的燃烧缸压力下瞬间关闭，第一第二气路与第三第四气路阻断。当做功机进气门17在凸轮摇臂机构的作用下打开时，第三第四气路内的高温高压燃气进入做功机推动活塞膨胀做功，此时压缩机处于压缩行程，如图3-1。当做功机活塞由上止点到下止点，压缩机活塞由下止点到上止点时，做功机排气门18打开，开始排气行程，压缩机排气门16被压缩机1缸内空气顶开，向缓冲贮气缸10内压入常温新鲜空气，如图4-1，一个做功压缩行程结束。只要第三第四气路内气体压强大于第二气路内新鲜空气的压强，单向阀34和单向阀38未被第二气路内气体顶开，那就只有第三第四气路内的气体经做功机做功，第一第二气路处于充气和吸收发动机各部件热量，增大气体压强过程中。
4、不点火做功：随着发动机做功压缩过程不断地进行，第三四气路内的高温高压燃气不断地做功消耗，并通过做功机排气口30经排气管排出，压强逐渐减小(高温废气经过排气管时，大部分热量被排气管空气吸热室31和热交换管32所吸收，吸热室31和热交换管32内压强进一步增大)，第一第二气路内不断地被压入新鲜空气，且这些新鲜空气不断地吸收着发动机冷却液缸3，冷却液室8及排气管排出尾气的热量，温度升高，压强增大，当第二气路内新鲜空气的压强大于第三第四气路内气体压强时，单向阀34与38被顶开，第二气路与第三第四气路连通，第二第三第四气路内吸收了发动机各部件热量而内能增加的气体经做功机推动活塞膨胀做功。随着第二第三第四气路内的气体不地做功消耗，温度压强降低，压缩机也不断地把新鲜空气压入缓冲贮气缸10，当缓冲贮气缸10内的压强大于第二第三第四气路内的压强时，单向阀36被顶开，第一第二第三第四气路连通。第一第二第三第四气路内的压缩空气吸收发动机各部件热量压强继续增大(只要发动机各部件温度高于气路内压缩空气温度，发动机各部件向气路内传递热量就不会停止)，此时第一第二第三第四气路内的气体经做功机推动活塞膨胀做功，同时第三第四气路内燃烧后的废气不断地被压缩机压入的新鲜空气所替代，当燃烧室4余温降低到温度传感器23所设定的温度时，温度传感器23向喷油枪22、火花塞21发出喷油点火的指令，发动机再次进入点火做功过程。此后，点火做功过程与不点火做功过程交替进行，发动机就源源不断地输出动力。不点火做功过程既是压缩空气吸收发动机余热做功的过程，也是新鲜空气替代第三第四气路内燃烧废气的过程，更是冷却发动机的过程。
本发明所述活塞式发动机具有如下显著特点：
1、因为本发明所述发动机是从大气中吸取空气并压缩成高压空气，并且以此高压空气作为吸收发动机热量和冷却发动机的介质，再作为燃料的助燃剂的，所以不需再额外地随机携带吸收发动机热量与冷却发动机的热功转换介质物，也不需随机装备冷却风扇为发动机降温，而且为了能充分利用发动机余热，为不点火做功过程提供充足的热量，还需用保温绝热层对发动机各余热源保温绝热，以免热量流失，由于这些特征，既缩减了热功转换介质物与冷却风扇所占的发动机舱体积，使发动机舱更加整齐紧致，又充分利用了发动机余热，大幅提高了发动机的热效率。
2、结构简单，整机零件数相对较少，易维修与更换零件，而且制造技术与现有活塞式发动机相似。压气机配气机构可采用缸内负压吸开与正压顶开的结构，这样能大大简化压缩机的整体结构。做功机配气机构可采用凸轮摇臂或凸轮顶杆机构，这都是现有成熟技术。再一个由于本发动机燃烧室独立，所以本发动机不管有几组发动机共曲轴运行，都可以共用一个燃烧室、一个火花塞、一个喷油枪，这相较于其他燃烧室与气缸一体的四冲程等活塞式发动机火花塞与喷油枪的数量大大减少。
3、本发动机做功机是曲轴转动三百六十度做一次功，较之于四冲程活塞式发动机曲轴转动七百二十度做一次功，动力输出更加绵密，且与同缸数的四冲程活塞发动机相比，本发动机功率体积比与其相差无几。
4、本发动机采用独立燃烧室设计，做功机活塞到达上止点开始进气做功的时刻是由做功机进气门开启的时刻决定的，所以不需担心混合气因压缩比太大而产生的爆震问题，这就决定了本发动机能以各种质量品位的燃油为燃料，也能以多种品种的燃油为燃料，对燃油质量和燃油品种的要求不高。如果把燃烧室换成热交换器，在热交换器外加热，只要外热源温度能达到要求，本发动机就变成了外部热源加热做功的外燃机，所以本循环方式的发动机既是内燃机也是外燃机，能适应更广泛的燃料或热源。本发动机能作为外燃机使用的特点是本发动机能吸收其他类型发动机热量做功的技术基础。
第2种方案：与其他类型发动机联合运行。
因为本发明所述发动机能作为外燃机使用，所以理论上只需其他类型发动机的余热源(比如气缸、排气管)温度高于本发动机气路内压缩空气的温度，其他类型发动机的余热源就会向本发动机的气路传递热量，本发动机气路内的压缩空气吸收了余热源的热量后，内能增加，压强增大，再输送到本发动机做功机推动活塞膨胀做功，把热能转换为机械能。具体实施方法是在其他类型发动机的余热源，比如气缸、排气管外套上空气吸热室，组建气路，如5-2气路抽象示意图，本发动机压缩机压出的压缩空气经组建的气路吸收其他类型发动机余热源热量，再把吸收了余热源热量的压缩空气输送到本发明所述发动机的燃烧室，再经本发动机的做功机推动活塞膨胀做功。本发明所述发动机可以与其他类型发动机共曲轴(比如与四冲程活塞发动机)动力相连运行，也可以与其他类型发动机各自拥有曲轴(双曲轴)动力独立运行。本发明所述发动机与其他类型发动机共曲轴联合运行的优点是：能以其他类型发动机作为启动机；当其他类型发动机动力输出不能满足需求时，可以通过本发动机点火做功以增加整个发动机系统的动力输出；在低负荷不需太大动力需求时，本发动机可以不点火，只利用其他类型发动机的余热源热量做功，这样不仅能使整个发动机系统热效率更高，而且其他类型发动机也得到了冷却，且动力输出范围更加广泛。
本发明所述发动机还可与电机联合运行，组成混合动力发动机。电机既可作为本发动机的启动机，也是混合动力发动机系统的动力，而且同样可以为电机组建气路，利用电机产生的热量做功的同时为电机降温。与电机联合运行的优点是：整个发动机系统启动快捷，更省燃料，减少尾气排放，而且能弥补电机电池续航不足的缺点。
技术特征：
1.一种活塞式发动机及其循环方式，其特征是压缩机、做功机及燃烧室彼此独立、相互之间以曲轴、气路、定压自开阀及单向阀相连接；其循环方式特征是：压缩机从大气吸取空气，再把空气逐步压入各气路，压缩空气经各气路吸收发动机有利用价值的各部件余热热量，内能增加，再输送到燃烧室参与燃料地点火燃烧，使气体内能进一步增加，然后经做功机推动活塞膨胀做功；当正在做功的气路内气体因做功消耗而压强减小时，前一段气路内由于压缩机不断地压入新鲜空气及气路内新鲜压缩空气吸收了发动机各部件余热热量而内能增加、压强增大，当前段气路内的压强大于正在做功气路内的压强时，两段气路之间的单向阀被顶开，两气路相连通，两段气路内的气体不需喷油点火燃烧，纯粹靠吸收的发动机余热热量做功，此为不点火做功过程，此过程是吸收发动机余热做功，冷却发动机的过程也是新鲜空气替代喷油点火过程产生的废气的过程；随着不点火做功过程的进行，直到燃烧室废气被压入的新鲜空气所代替，且燃烧室温度降至温度传感器所设定的温度时，发动机再次进入喷油点火过程，下一个做功循环开始。
2.根据权利要求1：所述本活塞式发动机的定压自开阀，其特征是定压弹簧(39)与圆柱形启闭活塞柱(19)置于空心圆柱形壳体(40)内，启闭活塞柱(19)下端与空心圆柱形壳体(40)内封闭的下端底部有一定的空隙，定压弹簧(39)在启闭活塞柱(19)上端给其施加一个压力调节螺丝(41)设定的压力，启闭活塞柱(19)下行堵住空心圆柱形壳体(40)下端一侧的出气孔，气路断开；当另一侧连接空心圆柱形壳体(40)的气路内气体压强增大，当气路内作用在启闭活塞柱(19)下端底部的气体压强大于定压弹簧(39)作用在启闭活塞柱(19)上端的压强时，启闭活塞柱(19)上行，被堵住的出气口打开，气路连通。
3.本发明所述活塞式发动机的排气管总成，其特征是排气通道外围有空气吸热室(31)，排气通道内有多个热交换管(32)，空气吸热室内(31)与热交换管(32)相连通，里面存有高压空气，用以吸收发动机排出的尾气的热量，排气管最外层是耐压壳体和保温绝热层(33)，用以承受高温压缩空气的压力和对空气吸热室(31)保温绝热，以免热量流失，进气口(27)与出气口(28)内设有单向阀，压缩空气只能由进气口(27)进入空气吸热室(31)经热交换管(32)再经出气口(28)单向流动。
4.本发明所述活塞式发动机能与其他类型发动机联合运行，其特征是能以其他类型发动机为启动机并通过组建的气路吸收其他类型发动机的余热热量做功，提高整个发动机系统的热效率。
技术总结
本发明涉及一种活塞式发动机及其循环方式。其特征是发动机的压缩机、做功机及燃烧室彼此独立、相互之间以曲轴、气路、定压自开阀及单向阀相连接。其循环方式特征是以压缩空气为介质吸收发动机各部件余热热量，然后输送到燃烧室参与燃料的燃烧，最后经做功机推动活塞膨胀做功。本发明所述发动机可以独立运行，也可以与其他类型发动机联合运行。联合运行时吸收其他类型发动机余热热量并将其转化为机械能，从而提高整个发动机系统的热效率。本发明所述发动机可用于汽车、火车、船舶、发电机等设备的动力装置，较之以往的活塞式发动机热效率更高，且能以多种燃料为能源。
技术研发人员：徐振武
受保护的技术使用者：徐振武
技术研发日：.09.03
技术公布日：.12.31
