帶回?zé)崞骰旌蠠崃ρh(huán)微型擺式發(fā)動(dòng)機(jī)及設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種帶回?zé)崞鞯幕旌蠠崃ρh(huán)微型擺式發(fā)動(dòng)機(jī)及設(shè)計(jì)方法，屬于微型擺式發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著便攜式電子產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)及其性能的不斷提高，其耗電量也日益增大，目前其所采用的電池通過(guò)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，存在著能量密度低，持續(xù)運(yùn)行時(shí)間短，充電時(shí)間長(zhǎng)的主要缺點(diǎn)，因而越來(lái)越不能滿足其用電需求。相比而言，用碳?xì)淙剂系膭?dòng)力裝置在能量轉(zhuǎn)化方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，在各種研宄方案中，以內(nèi)燃機(jī)為源動(dòng)力來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的方案得到了廣泛的認(rèn)可。最近幾年來(lái)微型機(jī)械發(fā)展正在不斷加速，微型化機(jī)械裝置的研宄和制造也給微動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展提供了廣闊的空間。因此微型發(fā)動(dòng)機(jī)正成為新一代便攜式電源的發(fā)展趨勢(shì)。
[0003]目前，以微型內(nèi)燃機(jī)為源動(dòng)力的便攜式發(fā)電系統(tǒng)在國(guó)際上已經(jīng)展開(kāi)研宄。其出發(fā)點(diǎn)都是以常規(guī)的大型發(fā)動(dòng)機(jī)為原型，然后將其縮小到微尺度量級(jí)?，F(xiàn)有的微動(dòng)力系統(tǒng)類型包括燃?xì)廨啓C(jī)、活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、汪克爾發(fā)動(dòng)機(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、擺式發(fā)動(dòng)機(jī)等。由于上述發(fā)動(dòng)機(jī)均基于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)微型化而來(lái)，因此保留了原系統(tǒng)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，這給發(fā)動(dòng)機(jī)的加工制造帶來(lái)了很大的困難，甚至有部分零件是現(xiàn)有微細(xì)機(jī)械加工工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。其中，擺式發(fā)動(dòng)機(jī)在微型化后其結(jié)構(gòu)存在一定的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)閿[式發(fā)動(dòng)機(jī)以擺動(dòng)形式通過(guò)感應(yīng)發(fā)電機(jī)輸出功率，避免了復(fù)雜的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，且擺式發(fā)動(dòng)機(jī)基本為平面結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，便于加工裝配，微型化后加工制造不存在障礙。此外，目前微型動(dòng)力系統(tǒng)的熱功效率極低，各種類型發(fā)動(dòng)機(jī)的效率均〈10%，能量的損失主要存在結(jié)構(gòu)熱泄漏和排氣余熱兩種形式，因此發(fā)展高效的熱量回收技術(shù)，最大限度地將泄漏熱與余熱回收，是提升微型動(dòng)力系統(tǒng)熱功效率的重要途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出的是一種帶回?zé)崞鞯幕旌蠠崃ρh(huán)微型擺式發(fā)動(dòng)機(jī)及設(shè)計(jì)方法，其目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述缺陷，通過(guò)加裝回?zé)崞?，充分利用尾氣余熱，且通過(guò)回?zé)崞靼鼑l(fā)動(dòng)機(jī)的方法再次利用了發(fā)動(dòng)機(jī)的泄漏熱，以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。通過(guò)多腔室混合循環(huán)工作，保證加裝回?zé)崞骱蟀l(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)有效工作。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:帶回?zé)崞鞯幕旌蠠崃ρh(huán)微型擺式發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征是包括多腔室發(fā)動(dòng)機(jī)主體與微型回?zé)崞鳎渲形⑿突責(zé)崞饕月菪螄@在發(fā)動(dòng)機(jī)主體上，從熱尾氣中獲得熱量外，還可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)熱泄漏的能量加熱預(yù)混氣，同時(shí)從發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)主要能量損失渠道著手減少能量損失，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。
[0006]發(fā)動(dòng)機(jī)主體采用多腔室結(jié)構(gòu)，運(yùn)行混合循環(huán)工作，保證發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行，微型回?zé)崞鞒事菪絿@在發(fā)動(dòng)機(jī)主體外側(cè)，在空間結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)主體配合，在熱量利用方面，此結(jié)構(gòu)回收發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱與主體泄漏熱，從兩條途徑提高了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，同時(shí)減少由回?zé)崞髋c發(fā)動(dòng)機(jī)主體連接管路引起的氣體壓力損失以及熱量損失。
[0007]設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟:
1)利用多腔室擺式發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)行程的A腔室體，以常規(guī)內(nèi)燃機(jī)二沖程熱力循環(huán)工作，充當(dāng)其他各腔在回?zé)徇^(guò)程中的驅(qū)動(dòng)器；
2)其余帶回?zé)崆皇殷w運(yùn)行四沖程循環(huán)，在壓縮過(guò)程完成后，壓縮氣體被擺臂擠入一螺旋式回?zé)崞髦?，吸收所有腔室體經(jīng)膨脹做功后排出的尾氣余熱；即對(duì)于η個(gè)腔室體的多腔室體擺式發(fā)動(dòng)機(jī)，采用η-1個(gè)腔室體的壓縮氣體吸收η個(gè)腔室體的尾氣余熱，由此發(fā)動(dòng)機(jī)中，一個(gè)腔室按照?qǐng)D2-1的帶回?zé)崞鞯亩_程熱力循環(huán)工作，熱排氣排入回?zé)崞?；其余腔室按照?qǐng)D2-2帶回?zé)崞鞯乃臎_程熱力循環(huán)工作，壓縮氣進(jìn)入回?zé)崞鬟M(jìn)行預(yù)熱，熱排氣排入回?zé)崞?；從而?shí)現(xiàn)了多腔室混合循環(huán)工作，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)整體熱效率，解決了加裝回?zé)崞骱髱?lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):從兩條途徑提高了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，通過(guò)多腔室混合循環(huán)工作解決了加裝回?zé)崞骱髱?lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是帶回?zé)崞鞯幕旌涎h(huán)微型擺式發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2是帶回?zé)崞鲾[式發(fā)動(dòng)機(jī)的混合型熱力循環(huán)示意圖。
[0011]圖3是微型回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖4是回?zé)崞鳠崃總鬏攬D。
[0013]圖5是發(fā)動(dòng)機(jī)主體示意圖。
[0014]圖6是發(fā)動(dòng)機(jī)主體腔體分布示意圖。
[0015]圖7是發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)狀態(tài)①原理圖。
[0016]圖8是發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)狀態(tài)②原理圖。
[0017]圖9是發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)狀態(tài)③原理圖。
[0018]圖10是發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)狀態(tài)④原理圖。
[0019]圖11是發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)狀態(tài)⑤原理圖。
[0020]圖12是發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)狀態(tài)⑥原理圖。
[0021]圖13是緩沖式回?zé)嵩韴D。
[0022]附圖中的I是微型回?zé)崞鳌?是擺式發(fā)動(dòng)機(jī)主體、3是回?zé)崞鳠崤艢獬隹凇?是回?zé)崞黝A(yù)混壓縮氣進(jìn)口、5是回?zé)崞黝A(yù)混壓縮氣出口、6是回?zé)崞鳠崤艢膺M(jìn)口、7是發(fā)動(dòng)機(jī)主體四沖程腔室預(yù)混氣排氣口、8是發(fā)動(dòng)機(jī)主體四沖程腔室預(yù)混氣回氣口、9是點(diǎn)火塞、10是三臂擺、11是發(fā)動(dòng)機(jī)主體排氣口、12是發(fā)動(dòng)機(jī)主體四沖程腔室進(jìn)氣口、13是發(fā)動(dòng)機(jī)主體二沖程腔室進(jìn)氣口。
【具體實(shí)施方式】
[0023]對(duì)照附圖1，帶回?zé)崞鞯幕旌蠠崃ρh(huán)微型擺式發(fā)動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)包括多腔室發(fā)動(dòng)機(jī)主體與微型回?zé)崞?，其中發(fā)動(dòng)機(jī)主體利用多腔室中一個(gè)行程略大的腔室以常規(guī)二沖程內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)工作，充當(dāng)其他各腔在回?zé)徇^(guò)程中的驅(qū)動(dòng)器；其余帶回?zé)崆皇疫\(yùn)行四沖程循環(huán)，在壓縮過(guò)程完成后，壓縮氣體被擺臂擠入一螺旋式回?zé)崞髦?，吸收所有腔室?jīng)膨脹做功后排出的尾氣余熱。微型回?zé)崞鞒事菪絿@在發(fā)動(dòng)機(jī)主體外側(cè)，在空間結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)主體配合，在熱量利用方面，此結(jié)構(gòu)回收發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱與主體泄漏熱，從兩條途徑提高了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，同時(shí)減少由回?zé)崞髋c發(fā)動(dòng)機(jī)主體連接管路引起的氣體壓力損失以及熱量損失。
[0024]對(duì)照?qǐng)D3、4所示，微型回?zé)崞?，其外端圓壁設(shè)置壓縮預(yù)混氣進(jìn)氣口和熱排氣出口各一個(gè)，其中壓縮預(yù)混氣進(jìn)氣口與預(yù)混氣總管道相通，熱排氣出口通向外界大氣；回?zé)崞鲀?nèi)端圓壁面設(shè)置一個(gè)壓縮預(yù)混氣出氣口與若干熱排氣進(jìn)口，其中熱排氣進(jìn)口數(shù)量及位置與發(fā)動(dòng)機(jī)主體各腔熱排氣口數(shù)量及徑向位置一一對(duì)應(yīng)，兩者由加裝熱排氣閥門(mén)的管道相通，壓縮預(yù)混氣進(jìn)氣口位于螺旋起始端徑向外壁上，與預(yù)混氣總管道相通；各腔室的熱排氣從發(fā)動(dòng)機(jī)本體排出后，就進(jìn)入螺旋回?zé)崞髦校仄浒霃捷^小端從里向外流出；需回?zé)崞骷訜岬母髑皇覊嚎s預(yù)混氣，從排氣閥沿圓形發(fā)動(dòng)機(jī)本體的軸線方向排出后匯入總管道，由壓縮預(yù)混氣進(jìn)氣口，在螺旋回?zé)崞髦邪霃捷^大端從外向里流入，最后經(jīng)回氣閥再次注入腔體。
[0025]所述的微型回?zé)崞饕月菪螄@在發(fā)動(dòng)機(jī)主體上，可從熱尾氣中獲得熱量外，還可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)熱泄漏的能量加熱預(yù)混氣，同時(shí)從發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)主要能量損失渠道著手減少能量損失，以提尚發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。
[0026]對(duì)照?qǐng)D5、圖6所示，發(fā)動(dòng)機(jī)主體采用多腔體結(jié)構(gòu)，乃是利用多腔室擺式發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)行程略大的腔室以常規(guī)內(nèi)燃機(jī)二沖程熱力循環(huán)工作，充當(dāng)其他各等容腔在回?zé)徇^(guò)程中的驅(qū)動(dòng)器；其余帶回?zé)崆皇以趬嚎s過(guò)程完成后，壓縮氣體被擺臂擠入螺旋式回?zé)崞髦校账星皇医?jīng)膨脹做功后排出的尾氣余熱；即對(duì)于η個(gè)腔室的多腔室擺式發(fā)動(dòng)機(jī)，采用η-1個(gè)腔室的壓縮氣體吸收η個(gè)腔室的尾氣余熱，由此實(shí)現(xiàn)新型混合熱力循環(huán)工作，此處以三腔結(jié)構(gòu)為例，其中A腔室體容積大于另外兩等容的B腔室、C腔室，該A腔室共有兩處進(jìn)氣閥，分別位于腔體兩端，一處排氣閥，位于腔體中央；其余兩腔在腔體兩端均有一處進(jìn)氣閥和一處排氣閥，以及與回?zé)崞飨嗤ǖ拈y門(mén)；點(diǎn)火塞分別位于各腔的兩端。
[0027]對(duì)照?qǐng)D6所示，多腔體結(jié)構(gòu)，其中具有一個(gè)按二沖程內(nèi)燃機(jī)模式工作的A腔室體含相應(yīng)擺臂，作為動(dòng)力腔，該A腔室體容積大于其余B、C腔室，運(yùn)行二沖程工作循環(huán)，進(jìn)氣口位于A腔室兩端，排氣口位于A腔室中央，其中排氣口與回?zé)崞鳠崤艢膺M(jìn)口相通，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)其余的B、C腔室體中任一氣缸內(nèi)，氣體處于經(jīng)壓縮進(jìn)入回?zé)崞黝A(yù)熱過(guò)程時(shí)，該腔室體中壓縮預(yù)混氣不進(jìn)入回?zé)崞鳎^續(xù)壓縮沖程，B、C腔室體中的bl缸體內(nèi)氣體通入回?zé)崞鹘Y(jié)束時(shí)，al缸點(diǎn)火做功，驅(qū)動(dòng)擺臂擺動(dòng)，保證回?zé)崞鲀?nèi)氣體回到bl缸內(nèi)繼續(xù)點(diǎn)火工作，al缸內(nèi)氣體做功結(jié)束后，當(dāng)擺臂經(jīng)過(guò)排氣口后，開(kāi)始排氣，此時(shí)a2氣缸開(kāi)始進(jìn)氣壓縮沖程，繼而執(zhí)行與E缸相同的循環(huán)，如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行工作。
[0028]所述的A、B、C三腔室容積:A>B=C。
[0029]所述的多腔結(jié)構(gòu)中除一個(gè)二沖程模式腔室體外，其余為多個(gè)按四沖程內(nèi)燃機(jī)模式工作的腔室體，亦含相應(yīng)擺臂；此類四沖程模式腔室體容積相同，各腔室體在兩端設(shè)置進(jìn)氣閥、排氣閥及壓縮混預(yù)氣通回?zé)崞鏖y門(mén)含預(yù)混氣排氣閥、回氣閥，運(yùn)行含回?zé)徇^(guò)程的四沖程工作循環(huán)；腔室體中預(yù)混氣壓縮結(jié)束，經(jīng)回?zé)崞髦蓄A(yù)熱流回腔體后點(diǎn)火，做功結(jié)束后，熱排氣排入回?zé)崞?；?dāng)腔室體總數(shù)為一時(shí)，兩氣缸同一沖程時(shí)間段執(zhí)行不同沖程；所述總數(shù)大于一時(shí)是以兩腔室體為例，四個(gè)氣缸在同一沖程時(shí)間段內(nèi)分別運(yùn)行不同沖程，依次往復(fù)，保證在任一沖程時(shí)間段內(nèi)