带回热器混合热力循环微型摆式发动机及设计方法.pdf

本发明是带回热器的混合热力循环微型摆式发动机及设计方法，其结构是微型回热器螺旋式围绕在发动机主体外侧，利用发动机排气余热与主体泄漏热加热预混压缩气体；采用多腔室混合循环工作。设计方法包括1）利用多腔室摆式发动机行程略大的腔室，以常规内燃机二冲程热力循环工作，充当其他各腔在回热过程中的驱动器；2）其余带回热腔室运行四冲程循环，在压缩过程完成后，压缩气体被摆臂挤入螺旋式回热器中，吸收所有腔室经膨胀做功后排出的尾气余热；即对于n个腔室的多腔室摆式发动机，采用n-1个腔室的压缩气体吸收n个腔室的尾气余热，由此发动机按混合热力循环工作。优点：提高了发动机热效率，解决了加装回热器后带来的发动机运行的问题。

权利要求书
1.  带回热器的混合热力循环微型摆式发动机，其特征是包括多腔室发动机主体与微型回热器，其中微型回热器以螺旋形围绕在发动机主体上，从热尾气中获得热量外，还可以利用发动机热泄漏的能量加热预混气,同时从发动机两个主要能量损失渠道着手减少能量损失，以提高发动机热效率。

2.  根据权利要求1所述的带回热器的混合热力循环微型摆式发动机，其特征是所述的微型回热器，其外端圆壁设置压缩预混气进气口和热排气出口各一个，其中压缩预混气进气口与预混气总管道相通，热排气出口通向外界大气；回热器内端圆壁面设置一个压缩预混气出气口与若干热排气进口，其中热排气进口数量及位置与发动机主体各腔热排气口数量及径向位置一一对应，两者由加装热排气阀门的管道相通，压缩预混气进气口位于螺旋起始端径向外壁上，与预混气总管道相通；各腔室的热排气从发动机本体排出后，就进入螺旋回热器中，沿其半径较小端从里向外流出；需回热器加热的各腔室压缩预混气，从排气阀沿圆形发动机本体的轴线方向排出后汇入总管道，由压缩预混气进气口，在螺旋回热器中半径较大端从外向里流入，最后经回气阀再次注入腔体。

3.  根据权利要求1所述的带回热器的混合热力循环微型摆式发动机，其特征是所述的发动机主体采用多腔体结构，乃是利用多腔室摆式发动机中一个行程A腔室以常规内燃机二冲程热力循环工作，充当其他各等容腔在回热过程中的驱动器；其余带回热腔室运行四冲程循环，在压缩过程完成后，压缩气体被摆臂挤入螺旋式回热器中，吸收所有腔室经膨胀做功后排出的尾气余热；即对于n个腔室的多腔室摆式发动机，采用n-1个腔室的压缩气体吸收n个腔室的尾气余热，由此实现新型混合热力循环工作，此处以三腔结构为例，其中A腔室体容积大于另外两等容的B腔室、C腔室体，A腔室共有两处进气阀，分别位于腔体两端，一处排气阀，位于腔体中央；其余两腔在腔体两端均有一处进气阀和一处排气阀，以及与回热器相通的阀门；点火塞分别位于各腔的两端。

4.  根据权利要求3所述的带回热器的混合热力循环微型摆式发动机，其特征是所述发动机主体多腔体结构中具有一个按二冲程内燃机模式工作的A腔室体，含相应摆臂，作为动力腔；该A腔室容积大于其余B、C腔室，运行二冲程工作循环，进气口位于腔室体两端，排气口位于腔室体中央，其中排气口与回热器热排气进口相通，当发动机其余B、C腔室体中任一气缸，以b1缸为例，气体处于经压缩进入回热器预热过程时，该腔体中压缩预混气不进入回热器，继续压缩冲程，当B、C腔室体中的b1缸体内气体通入回热器结束时，a1缸点火做功，驱动摆臂摆动，保证回热器内气体回到b1缸内继续点火工作，a1缸内气体做功结束后，当摆臂经过排气口后，开始排气，此时a2气缸开始进气压缩冲程，继而执行与a1缸相同的循环，如此往复，实现了发动机持续运行工作。

5.  根据权利要求4所述的带回热器的混合热力循环微型摆式发动机，其特征是所述的发动机主体多腔结构中除一个二冲程模式腔室体外，其余为多个按四冲程内燃机模式工作的腔室体，亦含相应摆臂；此类四冲程模式腔室体容积相同，各腔室体在两端设置进气阀、排气阀及压缩混预气通回热器阀门含预混气排气阀、回气阀，运行含回热过程的四冲程工作循环；腔室体中预混气压缩结束，经回热器中预热流回腔体后点火，做功结束后，热排气排入回热器；当腔室体总数为一时，两气缸同一冲程时间段执行不同冲程；所述总数大于一时是以两腔室体为例，四个气缸在同一冲程时间段内分别运行不同冲程，依次往复，保证在任一冲程时间段内，发动机主体均与回热器有气体交换，维持发动机稳定运行，改善综合性能。

6.  根据权利要求5所述的带回热器的混合热力循环微型摆式发动机，其特征是所述的四冲程模式腔室体，在腔室体两端设置一个压缩混预气通入回热器排气阀；当腔室体内预混气压缩结束后，排气阀门打开，高压预混气经摆臂扫气进入回热器预热。

7.  根据权利要求6所述的带回热器的混合热力循环微型摆式发动机，其特征是所述的四冲程工作腔室两端设置一个已预热压缩混预气通回腔体回气阀；当回热器内预混压缩气预热结束后，回气阀门打开，高温预混气流回腔体点火做功。

8.  如权利要求1的带回热器的混合热力循环微型摆式发动机的设计方法，其特征是该方法包括如下步骤：
1）利用多腔室摆式发动机中一个行程的A腔室体，以常规内燃机二冲程热力循环工作，充当其他各腔在回热过程中的驱动器；
2）其余带回热腔室体运行四冲程循环，在压缩过程完成后，压缩气体被摆臂挤入一螺旋式回热器中，吸收所有腔室体经膨胀做功后排出的尾气余热；即对于n个腔室体的多腔室体摆式发动机，采用n-1个腔室体的压缩气体吸收n个腔室体的尾气余热，由此发动机中，一个腔室按照图2-1的带回热器的二冲程热力循环工作，热排气排入回热器；其余腔室按照图2-2带回热器的四冲程热力循环工作，压缩气进入回热器进行预热，热排气排入回热器；从而实现了多腔室混合循环工作，提高了发动机整体热效率，解决了加装回热器后带来的发动机运行的问题。

说明书带回热器混合热力循环微型摆式发动机及设计方法
技术领域
本发明涉及的是一种带回热器的混合热力循环微型摆式发动机及设计方法，属于微型摆式发动机技术领域。
背景技术
近年来，随着便携式电子产品的不断出现及其性能的不断提高，其耗电量也日益增大，目前其所采用的电池通过将化学能转化为电能，存在着能量密度低，持续运行时间短，充电时间长的主要缺点，因而越来越不能满足其用电需求。相比而言，用碳氢燃料的动力装置在能量转化方面有着巨大的优势，在各种研究方案中,以内燃机为源动力来带动发电机发电的方案得到了广泛的认可。最近几年来微型机械发展正在不断加速, 微型化机械装置的研究和制造也给微动力系统的发展提供了广阔的空间。因此微型发动机正成为新一代便携式电源的发展趋势。
目前,以微型内燃机为源动力的便携式发电系统在国际上已经展开研究。其出发点都是以常规的大型发动机为原型，然后将其缩小到微尺度量级。现有的微动力系统类型包括燃气轮机、活塞式发动机、汪克尔发动机、斯特林发动机、摆式发动机等。由于上述发动机均基于常规发动机微型化而来，因此保留了原系统复杂的三维结构，这给发动机的加工制造带来了很大的困难，甚至有部分零件是现有微细机械加工工艺无法实现的。其中，摆式发动机在微型化后其结构存在一定的优势。因为摆式发动机以摆动形式通过感应发电机输出功率，避免了复杂的曲柄连杆机构，且摆式发动机基本为平面结构，因此结构更为简单，便于加工装配，微型化后加工制造不存在障碍。此外，目前微型动力系统的热功效率极低，各种类型发动机的效率均<10%，能量的损失主要存在结构热泄漏和排气余热两种形式，因此发展高效的热量回收技术，最大限度地将泄漏热与余热回收，是提升微型动力系统热功效率的重要途径。
发明内容
本发明提出的是一种带回热器的混合热力循环微型摆式发动机及设计方法，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，通过加装回热器，充分利用尾气余热，且通过回热器包围发动机的方法再次利用了发动机的泄漏热，以有效提高发动机热效率。通过多腔室混合循环工作，保证加装回热器后发动机的持续有效工作。
本发明的技术解决方案：带回热器的混合热力循环微型摆式发动机，其特征是包括多腔室发动机主体与微型回热器，其中微型回热器以螺旋形围绕在发动机主体上，从热尾气中获得热量外，还可以利用发动机热泄漏的能量加热预混气,同时从发动机两个主要能量损失渠道着手减少能量损失，以提高发动机热效率。
发动机主体采用多腔室结构，运行混合循环工作，保证发动机持续运行，微型回热器呈螺旋式围绕在发动机主体外侧，在空间结构上实现与发动机主体配合，在热量利用方面，此结构回收发动机排气余热与主体泄漏热，从两条途径提高了发动机热效率，同时减少由回热器与发动机主体连接管路引起的气体压力损失以及热量损失。
设计方法，包括如下步骤：
1）利用多腔室摆式发动机中一个行程的A腔室体，以常规内燃机二冲程热力循环工作，充当其他各腔在回热过程中的驱动器；
2）其余带回热腔室体运行四冲程循环，在压缩过程完成后，压缩气体被摆臂挤入一螺旋式回热器中，吸收所有腔室体经膨胀做功后排出的尾气余热；即对于n个腔室体的多腔室体摆式发动机，采用n-1个腔室体的压缩气体吸收n个腔室体的尾气余热，由此发动机中，一个腔室按照图2-1的带回热器的二冲程热力循环工作，热排气排入回热器；其余腔室按照图2-2带回热器的四冲程热力循环工作，压缩气进入回热器进行预热，热排气排入回热器；从而实现了多腔室混合循环工作，提高了发动机整体热效率，解决了加装回热器后带来的发动机运行的问题。
本发明的优点：从两条途径提高了发动机热效率提高了发动机热效率，通过多腔室混合循环工作解决了加装回热器后带来的发动机运行的问题。
附图说明
图1是带回热器的混合循环微型摆式发动机结构示意图。
图2是带回热器摆式发动机的混合型热力循环示意图。
图3是微型回热器结构图。
图4是回热器热量传输图。
图5是发动机主体示意图。
图6是发动机主体腔体分布示意图。
图7是发动机工作循环状态①原理图。
图8是发动机工作循环状态②原理图。
图9是发动机工作循环状态③原理图。
图10是发动机工作循环状态④原理图。
图11是发动机工作循环状态⑤原理图。
图12是发动机工作循环状态⑥原理图。
图13是缓冲式回热原理图。
附图中的1是微型回热器、2是摆式发动机主体、3是回热器热排气出口、4是回热器预混压缩气进口、5是回热器预混压缩气出口、6是回热器热排气进口、7是发动机主体四冲程腔室预混气排气口、8是发动机主体四冲程腔室预混气回气口、9是点火塞、10是三臂摆、11是发动机主体排气口、12是发动机主体四冲程腔室进气口、13是发动机主体二冲程腔室进气口。
具体实施方式
对照附图1，带回热器的混合热力循环微型摆式发动机，其结构包括多腔室发动机主体与微型回热器，其中发动机主体利用多腔室中一个行程略大的腔室以常规二冲程内燃机热力循环工作，充当其他各腔在回热过程中的驱动器；其余带回热腔室运行四冲程循环，在压缩过程完成后，压缩气体被摆臂挤入一螺旋式回热器中，吸收所有腔室经膨胀做功后排出的尾气余热。微型回热器呈螺旋式围绕在发动机主体外侧，在空间结构上实现与发动机主体配合，在热量利用方面，此结构回收发动机排气余热与主体泄漏热，从两条途径提高了发动机热效率，同时减少由回热器与发动机主体连接管路引起的气体压力损失以及热量损失。
对照图3、4所示，微型回热器，其外端圆壁设置压缩预混气进气口和热排气出口各一个，其中压缩预混气进气口与预混气总管道相通，热排气出口通向外界大气；回热器内端圆壁面设置一个压缩预混气出气口与若干热排气进口，其中热排气进口数量及位置与发动机主体各腔热排气口数量及径向位置一一对应，两者由加装热排气阀门的管道相通，压缩预混气进气口位于螺旋起始端径向外壁上，与预混气总管道相通；各腔室的热排气从发动机本体排出后，就进入螺旋回热器中，沿其半径较小端从里向外流出；需回热器加热的各腔室压缩预混气，从排气阀沿圆形发动机本体的轴线方向排出后汇入总管道，由压缩预混气进气口，在螺旋回热器中半径较大端从外向里流入，最后经回气阀再次注入腔体。
所述的微型回热器以螺旋形围绕在发动机主体上，可从热尾气中获得热量外，还可以利用发动机热泄漏的能量加热预混气,同时从发动机两个主要能量损失渠道着手减少能量损失，以提高发动机热效率。
对照图5、图6所示，发动机主体采用多腔体结构，乃是利用多腔室摆式发动机中一个行程略大的腔室以常规内燃机二冲程热力循环工作，充当其他各等容腔在回热过程中的驱动器；其余带回热腔室在压缩过程完成后，压缩气体被摆臂挤入螺旋式回热器中，吸收所有腔室经膨胀做功后排出的尾气余热；即对于n个腔室的多腔室摆式发动机，采用n-1个腔室的压缩气体吸收n个腔室的尾气余热，由此实现新型混合热力循环工作，此处以三腔结构为例，其中A腔室体容积大于另外两等容的B腔室、C腔室，该A腔室共有两处进气阀，分别位于腔体两端，一处排气阀，位于腔体中央；其余两腔在腔体两端均有一处进气阀和一处排气阀，以及与回热器相通的阀门；点火塞分别位于各腔的两端。
对照图6所示，多腔体结构，其中具有一个按二冲程内燃机模式工作的A腔室体含相应摆臂，作为动力腔，该A腔室体容积大于其余B、C腔室，运行二冲程工作循环，进气口位于A腔室两端，排气口位于A腔室中央，其中排气口与回热器热排气进口相通，当发动机其余的B、C腔室体中任一气缸内，气体处于经压缩进入回热器预热过程时，该腔室体中压缩预混气不进入回热器，继续压缩冲程，B、C腔室体中的b1缸体内气体通入回热器结束时，a1缸点火做功，驱动摆臂摆动，保证回热器内气体回到b1缸内继续点火工作，a1缸内气体做功结束后，当摆臂经过排气口后，开始排气，此时a2气缸开始进气压缩冲程，继而执行与E缸相同的循环，如此往复，实现了发动机持续运行工作。
所述的A、B、C三腔室容积：A>B=C。
所述的多腔结构中除一个二冲程模式腔室体外，其余为多个按四冲程内燃机模式工作的腔室体，亦含相应摆臂；此类四冲程模式腔室体容积相同，各腔室体在两端设置进气阀、排气阀及压缩混预气通回热器阀门含预混气排气阀、回气阀，运行含回热过程的四冲程工作循环；腔室体中预混气压缩结束，经回热器中预热流回腔体后点火，做功结束后，热排气排入回热器；当腔室体总数为一时，两气缸同一冲程时间段执行不同冲程；所述总数大于一时是以两腔室体为例，四个气缸在同一冲程时间段内分别运行不同冲程，依次往复，保证在任一冲程时间段内，发动机主体均与回热器有气体交换，维持发动机稳定运行，改善综合性能。
所述的四冲程模式腔室体，在腔室体两端设置一个压缩混预气通入回热器排气阀；当腔室体内预混气压缩结束后，排气阀门打开，高压预混气经摆臂扫气进入回热器预热。
所述的四冲程工作腔室两端设置一个已预热压缩混预气通回腔体回气阀；当回热器内预混压缩气预热结束后，回气阀门打开，高温预混气流回腔体点火做功。
带回热器的混合热力循环四冲程微型摆式发动机的设计方法，包括如下步骤：
1）利用多腔室摆式发动机中一个行程的A腔室体，以常规内燃机热力循环工作，充当其他各腔在回热过程中的驱动器；
2）其余带回热腔室体在压缩过程完成后，压缩气体被摆臂挤入一螺旋式回热器中，吸收所有腔室体经膨胀做功后排出的尾气余热；即对于n个腔室体的多腔室体摆式发动机，采用n-1个腔室体的压缩气体吸收n个腔室体的尾气余热，由此发动机中，一个腔室按照图2-1的带回热器的二冲程热力循环工作，热排气排入回热器；其余腔室按照图2-2带回热器的四冲程热力循环工作，压缩气进入回热器进行预热，热排气排入回热器；从而实现了多腔室混合循环工作，提高了发动机整体热效率，解决了加装回热器后带来的发动机运行的问题。
实施例
工作过程以1缸为例：
1.如图7中，1缸开始进气，其他2、3、4缸为四冲程工作，分别处于排气冲程、做功冲程及压缩冲程，四个气缸冲程分别不同交替工作。5、6缸为二冲程，5缸完成做功排气与进气，6缸为压缩过程。
2.如图8和如图9表示1缸压缩冲程，分为两个过程：如图8表示1缸预混气压缩开始，如图9表示压缩结束，预混气开始进入回热器。
3．如图10和如图11表示1缸做功冲程，同样分为两个过程：图10表示以加热完成的预混气开始回到气缸中，此时5缸点火提供动力使摆臂回摆，将回热器内预混气抽回，图11表示回气结束，开始点火做功。
4.如图12表示做功结束，开始向回热器内排气，排气结束后，进行下一次工作循环。
5.如图13所示，回热器采用可容纳多缸预混气与热排气的容积结构，发动机主体采用多腔体结构，若腔体总数为n，其中n-1腔为四冲程模式工作，接通回热器，各腔中的每一缸热排气均通入回热器，预混压缩气在点火冲程前均流入回热器进行预热。缓冲式回热循环要求在任一时刻，在此类缸体中，四个不同冲程均存在，从而保证以下两点：第一，在每一个冲程时间段内，存在一缸，其缸内的预混压缩气进入回热器；第二，在每一个冲程时间段内，存在经充分预热后的预混压缩气由回热器流入此类缸的其中一缸。n个腔中另外一腔的两缸为两冲程模式工作，热排气通入回热器，预混压缩气不通入回热器，加大该腔容积，在前述腔体中预混气进入回热器的过程中，该腔体内气体继续压缩，此过程结束后，腔体点火工作，带动摆臂摆动，使回热器内气体回到气缸内继续点火工作，以此实现周期性工作。