本發(fā)明涉及一種熱能利用的滾子發(fā)動機(jī)，屬于發(fā)動機(jī)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

當(dāng)前發(fā)動機(jī)僅利用了燃料能量的三分之一左右，大部分能量隨冷卻水和尾氣而流失，并且，高溫帶來許多不利因素，例如引起結(jié)構(gòu)變形和加速磨損，需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，提高效率和降溫實際上是同一個問題，碳排放問題日趨嚴(yán)重，世界各國競相研究發(fā)動機(jī)熱能利用，節(jié)能減排對生態(tài)環(huán)境具有重大意義。

向燃燒室噴水的嘗試有很多，現(xiàn)代典型的例如寶馬和豐田，這一做法的好處是降低了進(jìn)氣溫度，從而可以提高壓縮比，水還具有助燃和潤滑作用，降低溫度即減少了NOx的排放，然而，噴水沒有改善發(fā)動機(jī)效率，這是為什么呢，答案在于現(xiàn)有發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，即壓氣容積基本等于做功容積，即使有更多的氣體產(chǎn)生，而做功容積有限，因此，效率沒有提高，換句話說，要提高效率，必須增加膨脹容積而不改變壓氣容積。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問題是：將發(fā)動機(jī)的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：發(fā)動機(jī)膨脹容積可以比壓氣容積大很多，通過噴入水霧的方法，降低進(jìn)氣溫度和提高壓縮比，并且利用熱能氣化水霧，產(chǎn)生更多的氣體，由于具有合適的膨脹容積，熱能被轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，方案經(jīng)樣機(jī)驗證可行。

本發(fā)明的有益效果是：可以將內(nèi)燃機(jī)熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，降低發(fā)動機(jī)和尾氣溫度，減少NOx等害物質(zhì)的產(chǎn)生，簡化冷卻系統(tǒng)，減少顆粒物的排放，是一種長壽命、高效、節(jié)能、環(huán)保的發(fā)動機(jī)。

附圖說明：

圖1是發(fā)動機(jī)主體結(jié)構(gòu)爆炸圖

圖2是發(fā)動機(jī)工作原理圖

圖3為單向閥結(jié)構(gòu)圖

圖4為閘閥結(jié)構(gòu)

圖5是滾子端面密封結(jié)構(gòu)圖

圖6是活動門密封結(jié)構(gòu)的爆炸圖

圖7為門密封條熱補償圖

圖8是安全氣道原理圖

圖9為偏心軸裝配原理圖

圖10是滾子內(nèi)部潤滑油路徑圖

圖11是回油葉輪原理圖

圖12是回油葉輪的結(jié)構(gòu)圖

圖13是活動門在內(nèi)部的一種設(shè)計

圖14是一種平動型活動門設(shè)計

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選方案進(jìn)行描述，本發(fā)明的內(nèi)容在于熱能利用的技術(shù)方案，下述優(yōu)選案例是為了闡明技術(shù)方案的可實施性，對下述具體構(gòu)造的一些替換或改變，都應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明權(quán)利要求書所確定的專利保護(hù)范圍。

圖1是發(fā)動機(jī)主體結(jié)構(gòu)爆炸圖，在偏心軸3的限制下，滾子2在定子1的內(nèi)壁滾動，在彈簧5的作用下，活動門4將門密封條6壓在滾子2上，滾子和活動門將定子內(nèi)腔分隔為兩個空間，當(dāng)滾子順時針滾動時，左邊空間不斷變小，空氣經(jīng)單向閥8壓入燃燒室10，噴油嘴11在可分次噴油，閘閥9在滾子滾經(jīng)過后打開，此時，火花塞12點火（或提前點火），推動滾子滾動，7是噴水嘴。

定子和滾子之間為滾動摩擦，滾子與前后端蓋之間為滑動摩擦，因此，整體細(xì)長結(jié)構(gòu)有利于減少摩擦損失，考慮到兩端熱平衡，可采用兩個燃燒室并布置在兩端，也可以在中間設(shè)置一個燃燒室，由于燃燒室是獨立的，可以設(shè)計為利于火焰?zhèn)鞑ズ腿紵螤睢?/p>

圖2是發(fā)動機(jī)工作原理圖，進(jìn)氣口有調(diào)速風(fēng)機(jī)15，根據(jù)發(fā)動機(jī)狀況提供進(jìn)氣量，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于怠速時，減少進(jìn)氣量使部分尾氣混合進(jìn)入燃燒室，達(dá)到節(jié)油目的，當(dāng)發(fā)動機(jī)高速運轉(zhuǎn)時，提供過量的空氣，具有冷卻內(nèi)腔作用，通過改變進(jìn)氣口和排氣口的位置，可以設(shè)計任意的膨脹容積與壓縮容積之比。

在壓氣階段前期，噴水嘴13向壓氣腔分次噴入水霧，可以降低進(jìn)氣溫度，獲得更大的壓縮比，并減小壓氣功耗，隨著氣體壓入，水霧撞擊燃燒室壁并產(chǎn)生部分凝結(jié)（通過優(yōu)化氣道和燃燒室的氣動構(gòu)造），形成保護(hù)膜，同時，水霧還具有助燃作用，點火之后，噴水嘴14向燃燒室噴入水霧，在閘閥打開后，噴水嘴7向膨脹腔分次噴入水霧，所述全部水分被高溫所汽化，產(chǎn)生更多的氣體，考慮到具有較大的膨脹容積，熱能被轉(zhuǎn)化為機(jī)械功。

顯然，噴水策略應(yīng)根據(jù)實際工況而變化，包括對上述順序的變換、提前、延遲、拆分、增加或組合優(yōu)化，決策的主要根據(jù)是進(jìn)氣溫度和濕度、排氣溫度和濕度、噴油量、轉(zhuǎn)速、負(fù)載等相關(guān)參數(shù)，在不影響燃燒前提下，噴水可以適當(dāng)過量，一方面具有潤滑作用，另一方面可以吸收廢氣中的有害物，多余的水隨排氣口16排出，排氣口16接有冷凝器，尾氣經(jīng)過冷凝器降溫，水蒸氣以顆粒物為核產(chǎn)生凝結(jié)，所有液態(tài)水回流收集，可以減少顆粒物排放，是一種非常環(huán)保的發(fā)動機(jī)。圖2為描述方便，實際進(jìn)氣口和排氣口可以不在同一剖面上，可以是多個并交錯排列。

噴水方法可以用于具備膨脹容積大于壓氣容積的發(fā)動機(jī)，例如，渦輪發(fā)動機(jī)、壓氣和做功采用不同缸體的發(fā)動機(jī)。

噴水嘴前端有高壓水泵，水的霧化和水量控制已經(jīng)有成熟的技術(shù)，例如發(fā)動機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)，所用水采用純凈水或采用過濾裝置，防止水蒸氣腐蝕已有成熟技術(shù)，例如汽輪機(jī)防腐蝕技術(shù)。

圖3為單向閥結(jié)構(gòu)圖，單向閥閥座17通過螺釘22安裝在定子上（安裝位置見圖1），非導(dǎo)磁材料的導(dǎo)向座18同軸密封安裝在閥座上，磁極罩20同軸密封安裝在導(dǎo)向座上，電磁線圈19安裝在磁極罩內(nèi)，閥芯19可以在導(dǎo)向座內(nèi)軸向滑動，當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)入壓氣行程，電磁線圈21通電，單向閥打開，氣體流過，閥芯19有中心通孔和表面縱向溝槽，以平衡氣壓并減輕重量，閥座采用下端錐面和軟質(zhì)金屬環(huán)23與定子構(gòu)成密封，需要說明，即使沒有電磁線圈，單向閥依然可以工作，電磁線圈可以減小氣壓損失，單向閥的結(jié)構(gòu)形式很多，但作用相同。

圖4為閘閥結(jié)構(gòu)，閘閥閥座24安裝在定子1上（圖1），閘閥閥芯26可以在閥座內(nèi)軸向滑動，彈簧25保持閘閥閉合狀態(tài)，當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)入做功行程，凸輪27壓下摩擦條29，閘閥打開，凸輪軸和發(fā)動機(jī)主軸通過鏈條同步鏈接，錐面30和軟質(zhì)金屬環(huán)31構(gòu)成閘閥密封， 28是密封環(huán)。

在壓氣開始一段時間，凸輪仍然保持閘閥開啟，以使燃燒室內(nèi)的廢氣排出，有利于高速運轉(zhuǎn)，閘閥的結(jié)構(gòu)形式很多，但作用相同。

圖5是滾子端面密封結(jié)構(gòu)圖，滾子端面密封環(huán)32和滾子2采用類似于活塞結(jié)構(gòu)，以吸收滾子2的軸向熱伸長，定子密封條34鑲嵌在定子1的環(huán)槽內(nèi)，密封環(huán)32和刮油環(huán)33與滾子2之間有彈性密封圈35，32和33采用耐磨材料，如表面滲瓷材料、耐磨鑄鐵、銅基合金、巴氏合金或其它新型耐磨材料，34和35采用具有一定彈性的材料，如氟橡膠、聚四氟或其它新型密封材料，由于碾壓作用回導(dǎo)致密封條34沿滾動方向移位，定子密封條34外圓可設(shè)計一些工類似于齒輪的嵌套，36是發(fā)動機(jī)端蓋。

圖6是活動門密封結(jié)構(gòu)的爆炸圖，門端面密封條37通過定位銷39安裝在活動門4的端面上，并保持和發(fā)動機(jī)端蓋貼合，彈性密封塊41安裝在定子1上，彈性密封塊38安裝在活動門4上并與門密封條6的軸貼合，門弧面密封條40安裝在定子1上，37和40采用材料同上述32，38和41采用材料同上述34。

圖7為門密封條熱補償圖，密封條6中部有凹凸構(gòu)造，42為彈性材料，可以吸收門密封條的熱伸長。

圖8是安全氣道原理圖，門密封條6的中間有一排氣孔43，活動門4上有相應(yīng)氣孔通向大氣，其目的是防止門密封條6被高壓氣體抬起而失去密封作用，同時，可以從其中部分氣孔注入潤滑油或水。

圖9為偏心軸裝配原理圖，偏心軸3安裝在主軸50上，調(diào)整金屬墊片47的厚度，旋緊螺釘48，使偏心距略小于預(yù)期值，將主軸50水平放置專用支撐塊44上（也可使用分度頭），緩慢轉(zhuǎn)動主軸一圈，即可從千分表49上讀出最小值和最大值，相減除以2等于偏心距，根據(jù)設(shè)計功率可求得滾子實際受力F，將F施加于實際受力方向，調(diào)節(jié)螺釘46擠壓契形塊45，使偏心距符合要求，力F是矢量和，等于滾子受到的最大壓力減去離心力，再加上密封預(yù)壓力，當(dāng)滾子及軸承裝配后再次進(jìn)行上述測試，最后將溫度上升到發(fā)動機(jī)工作溫度進(jìn)行測試。

由于定子周長大于滾子的周長，理論上，相同的溫升導(dǎo)致定子和滾子之間的間隙增加，然而，滾子溫升大于定子溫升，得到一定的補償，并且，高溫升意味著高轉(zhuǎn)速，此時離心力較大，具有補償作用，不過，高溫下零部件剛性有所下降，總之，徑向間隙影響因素是多方面的，例如工作溫度、整體結(jié)構(gòu)、材料選取、熱處理工藝、滾子重量、轉(zhuǎn)速、冷卻措施、負(fù)載特性等等，可以通過計算機(jī)模擬并實際試驗確定，實際制造經(jīng)驗表明，通過選擇契形塊45材料（不同熱脹特性）即可達(dá)到要求。

過大的密封預(yù)壓力將影響軸承壽命，滾子和定子之間漏氣通常出現(xiàn)在滾子最大受力情況下，在這些區(qū)間，可以在定子內(nèi)壁設(shè)置密封條、彈性結(jié)構(gòu)或波紋內(nèi)襯，以降低密封預(yù)壓力。

圖10是滾子內(nèi)部潤滑油路徑圖，潤滑油從主軸中心孔輸入，回油葉輪51同軸安裝在滾子2上，并與端蓋36貼合，回油葉輪上有儲油槽53，端蓋36上有回油環(huán)槽52，由滾子運動可知回油葉輪同主軸轉(zhuǎn)向相反，在旋轉(zhuǎn)過程中，儲油槽53不斷越過回油環(huán)槽52，從而將潤滑油帶入回油環(huán)槽，并從端蓋上的回油孔流出。

圖11是回油葉輪原理圖，在離心力作用下，滾子內(nèi)部潤滑油總是在最遠(yuǎn)點并與主軸同步轉(zhuǎn)動，因為回油葉輪固定在滾子上，此時，可以認(rèn)為回油葉輪51遠(yuǎn)軸方向的葉片是不動的，設(shè)潤滑油液面到滾子中心距離為r（油面高度取略低于軸承外圈的高度)，偏心軸偏心距為e，主軸轉(zhuǎn)速為f 轉(zhuǎn)/秒，油液54的質(zhì)量為m，

油液動能 E=2mπ²(r+e)²f²

潤滑油的向心加速度a=4mπ²(r+e)f²

設(shè)潤滑油的動能可以上升h高度，

則：E=mah

解得：h=(r+e)/2

重力比離心力小很多，可以忽略，實際上，r和e都大于h，因此，滾子內(nèi)部的潤滑油越過高度h沒有問題。

圖12是回油葉輪的結(jié)構(gòu)圖，回油葉輪采用較軟的耐磨材料制造（如聚四氟），為保持隨滾子2一起運動，其外徑和滾子2的內(nèi)徑可采用緊配合或采用鍵槽結(jié)構(gòu)。

圖13是活動門在內(nèi)部的一種設(shè)計，這這一設(shè)計的優(yōu)勢是，活動門受力合理，并可以較輕，為單向閥8讓出了空間，但是，活動門整體處于封閉空間，潤滑散熱條件較差，活動門和滾子以及定子之間必須留有間隙，影響了壓氣效率，活動門離開上止點時存在負(fù)壓阻礙。

活動門的特征在于：一個邊和滾子保持密封，兩端和端面保持密封，并且可以徑向活動，符合這一特征均可構(gòu)成活動門，和滾子保持密封可以用彈簧，也可以采用凸輪機(jī)構(gòu)，或采用彈簧和凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)合。

圖14是一種平動型活動門設(shè)計，其兩端嵌套在端蓋的滑槽內(nèi)，這種活動門結(jié)構(gòu)更輕，考慮到氣體壓力導(dǎo)致彎曲和兩端摩擦力較大，這種設(shè)計在整機(jī)較短時具有優(yōu)勢。