一种活塞往复式发动机

本发明属于发动机领域，具体涉及一种活塞往复式发动机，其包括至少一个设有第一进气口和第一排气口的燃烧缸以及为燃烧缸提供燃料的燃料供给系统，还包括与燃烧缸数量相同的气体膨胀缸以及为气体膨胀缸提供预压缩吸热气体的气体供给系统，气体膨胀缸上设有第二进气口及第二排气口，第一排气口与第二进气口相连接。通过将气体膨胀缸的第二进气口与燃烧缸的第一排气口相连接，燃料在燃烧缸燃烧做功后的高温废气不直接排出，而是经第二进气口引入气体膨胀缸，然后由气体供给系统喷入气体膨胀缸的预压缩吸热气体吸收高温废气的热量迅速膨胀，从而推动活塞杆对外做功，可有效的提高发动机燃料的利用率，不仅节约了能源，还有利于减少废气的排放。

技术领域
本发明属于发动机领域，具体涉及一种活塞往复式发动机。
背景技术
目前活塞往复式发动机有两大机构和五大系统组成(柴油发动机是四大系统，没有点火系统)。两大机构是曲柄连杆机构和配气机构，五大系统分别是起动系统、燃料供给系统、点火系统、润滑系统、冷却系统。发动机的工作循环是由四个冲程来组成，分别是进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。但现有的发动机对燃料燃烧产生的热能利用率低，仅有25％～40％的转变为有效功，其余60％～75％都损失掉了。其中，主要由废气带走，其次传给冷却水。冷却水带走的热量占总热量的10％～35％，其中一部分是排气道中废气传给冷却水的热，一部分是由摩擦产生的热，真正由燃烧、膨胀过程散出的热大约占冷却损失的15％。废气带走的热量占总热量的25％～50％。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种活塞往复式发动机一种活塞往复式发动机，以解决现有的发动机对燃料燃烧产生的热能利用率低的缺陷。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种活塞往复式发动机，包括至少一个设有第一进气口和第一排气口的燃烧缸以及为所述燃烧缸提供燃料的燃料供给系统，还包括与所述燃烧缸数量相同的气体膨胀缸以及为所述气体膨胀缸提供预压缩吸热气体的气体供给系统，所述气体膨胀缸上设有第二进气口及第二排气口，所述第一排气口与所述第二进气口相连接。本发明的更进一步优选方案是：所述气体供给系统包括依次连接的储气瓶、管路恒压装置、单向阀、电磁阀、冷却腔以及电磁阀喷气嘴，所述电磁阀喷气嘴设置于所述气体膨胀缸上。本发明的更进一步优选方案是：所述冷却腔设置于发动机的气缸体上。本发明的更进一步优选方案是：所述冷却腔包括若干个子腔，所述子腔设置于相邻的燃烧缸或气体膨胀缸之间。本发明的更进一步优选方案是：所述气体膨胀缸的容积大于所述燃烧缸的容积。本发明的更进一步优选方案是：所述气体供给系统还包括与所述储气瓶连接的安全阀。本发明的更进一步优选方案是：所述所述气体膨胀缸的进气提前角大于所述燃烧缸的排气提前角。本发明的有益效果在于，通过设置气体膨胀缸以及为气体膨胀缸提供预压缩吸热气体的气体供给系统，并使得气体膨胀缸的第二进气口与燃烧缸的第一排气口相连接，燃料在燃烧缸燃烧做功后的高温废气不直接排出，而是经第二进气口引入气体膨胀缸，然后由气体供给系统喷入气体膨胀缸的预压缩吸热气体吸收高温废气的热量迅速膨胀，从而推动活塞杆对外做功，可有效的提高发动机燃料的利用率，不仅节约了能源，还有利于减少废气的排放。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：图1是本发明的活塞往复式发动机(缸内直喷式)原理结构示意图；图2是本发明的活塞往复式发动机(普通多点喷射)原理结构示意图图3是本发明气体供给系统原理框图；图4是本发明冷却腔设置位置示意图；图5是本发明配气原理示意图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。如图1、2所示，本实发明的活塞往复式发动机，包括至少一个设有第一进气口11和第一排气口12的燃烧缸1以及为所述燃烧缸1提供燃料的燃料供给系统2，还包括与所述燃烧缸1数量相同的气体膨胀缸3以及为所述气体膨胀缸3提供预压缩吸热气体的气体供给系统4，所述气体膨胀缸3上设有第二进气口31及第二排气口32，所述第一排气口12与所述第二进气口31相连接。通过设置气体膨胀缸3以及为气体膨胀缸3提供预压缩吸热气体的气体供给系统4，并使得气体膨胀缸3的第二进气口31与燃烧缸1的第一排气口12相连接，燃料在燃烧缸1燃烧做功后的高温废气不直接排出，而是经第一排气口12和第二进气口31引入气体膨胀缸3，然后由气体供给系统4喷入气体膨胀缸3的预压缩吸热气体吸收高温废气的热量迅速膨胀，从而推动活塞杆对外做功。进一步地，燃料在燃烧缸1燃烧做功后的高温废气不直接排出，经第二进气口31引入气体膨胀缸3后，气体膨胀缸3对高温废气进行压缩，在再压缩终点时，气体供给系统4向气体膨胀缸3喷入预压缩吸热气体，预压缩吸热气体吸收高温废气的热量，达到膨胀做功的目的，做功后才把废气从第二排气口32排出。所述预压缩吸热气体优选为氮气或二氧化碳等利于吸热、膨胀系数大的无害气体。由于液体的气化过程或压缩气体的膨胀过程是一个吸热的过程，在这个过程中，气化物或膨胀气体的体积会增大，比如液氮等一些吸热性很强的气体，液氮在常压下，液氮温度为－196℃；1立方米的液氮可以膨胀至696立方米21℃的纯气态氮,膨胀了696倍。这些气体环保无害，的大气中大量存在，生产的成本很低，利用这些强吸热性气体来吸收高温废气的热量进行再次利用，可有效的提高发动机燃料的利用率，不仅节约了能源，还有利于减少废气的排放。如图1、2所示，本发明的技术方案适用于两缸及两缸以上的活塞往复式发动机，现仅以四缸活塞往复式发动机为例来阐明本发明的技术方案，该四缸活塞往复式发动机包括两个燃烧缸1以及两个气体膨胀缸3。为便于描述两个燃烧缸1命名为一缸和四缸，两个气体膨胀缸3命名为二缸和三缸。优选地，一缸的排气口(第一排气口12)通过隔热管道与二缸的进气口(第二进气口31)连接；将四缸的排气口(第一排气口12)通过隔热管道与三缸的进气口(第二进气口31)连接，一、四缸的进气口(第一进气口11)接空气滤清器，二、三缸的排气口(第二排气口32)接排气管。所述四缸活塞往复式发动机的一缸在燃料燃烧做功后，把排出的高温废气引入二缸，作为二缸的进气，二缸再对高温废气进行压缩，二缸压缩将到终点时，喷入适量的预压缩吸热气体来吸收高温废气的热量而膨胀做功，最后，再将高温废气从二缸中排出去。同理，四缸的高温废气引入三缸再做功。这样可以确保占总热量25％～50％的高温废气热量就得到了再次利用。如图1-3所示，本实施例的所述气体供给系统4包括依次连接的储气瓶41、管路恒压装置42、单向阀43、电磁阀44、冷却腔45以及电磁阀喷气嘴46，所述电磁阀喷气嘴46设置于所述气体膨胀缸3上。具体地，所述储气瓶41、管路恒压装置42、单向阀43、电磁阀44、冷却腔45彼此通过管路连接，管路中设有压力开关，用来检测管路压力，以控制管路恒压装置42，所述压力开关优选为包括连接所述冷却腔45与电磁阀44和管路恒压装置42的高低压保护开关47以及连接所述储气瓶41与管路恒压装置42的低压保护开关48。管路恒压装置42安装在储气瓶41与单向阀43之间的管路上，其作用是建立管路压力并维持管路压力的恒定，它是由电动泵或机械泵组成。当管路内的压力开关检测到管路压力过高时，控制泵体不工作，而过低时，又控制泵体恢复工作。单向阀43安装在管路恒压装置42前的管路上，其作用是在发动机停机时，维持管路内的压力，有利于发动机的再次起动。当然，四缸活塞往复式发动机还包括主控模块以及相关的传感器。本实施例的气体供给系统4的工作原理：主控模块根据进气量信息、曲轴位置传感器和安装在二、三缸进气管上的进气压力传感器及温度传感器给的信息来控制预压缩吸热气体的喷射时间，确定喷入二、三缸的基本气体量，然后通过发动机温度传感器、蓄电池电压等信息对喷入的气体量作出修正，再通过安装在二、三缸排气管上的温度传感器把排气温度的信息转换成电信号反馈给主控模块，再由主控模块对二、三缸的喷气量进行反馈控制，从而达到比较理想的控制状态。如图4所示，本实施例的所述冷却腔45设置于发动机的气缸体5上。进一步地，所述冷却腔45包括若干个子腔，所述子腔设置于相邻的燃烧缸1或气体膨胀缸3之间。电磁阀44安装在气缸体5上，由主控模块根据发动机的温度来控制，通过控制一、四缸冷却腔45的气体流量来控制发动机温度。进一步地，所述气体供给系统4还包括与所述储气瓶41连接的安全阀411，用来在管路或储气瓶41因意外状况导致的压力过高时，保障系统的安全。进一步地，所述气体供给系统4还包括与所述储气瓶41连接的气体储量检测装置412及指示装置413，所述气体储量检测装置412用于检测储气瓶41内的气体量，当储气瓶41内气体不足时，通过所述指示装置413提示车主。本实施例的四缸活塞往复式发动机的冷却主要是由气体供给系统4的预压缩吸热气体输到气体膨胀缸3的过程中进行的，预压缩吸热气体在一、四缸冷却腔45吸收燃烧、膨胀过程散出和机械摩擦产生的热量，并再次利用，作为预压缩吸热气体(如液氮)由液态转换为气态所需的能量，这样就减少了热量损失，提高了热效率。另外，由于发动机的工作情况复杂，所述四缸活塞往复式发动机还包括风扇冷却系统，用以调节四缸活塞往复式发动机的工作温度。如图1、5所示，本实施例的所述气体膨胀缸3的容积大于所述燃烧缸1的容积。所述气体膨胀缸3的进气提前角大于所述燃烧缸1的排气提前角。图5中α为气体膨胀缸3的进气提前角、β为气体膨胀缸3的进气迟后角、γ为燃烧缸1的排气提前角、δ为燃烧缸1的排气迟后角、A为活塞上止点、B为活塞下止点。α优选45°、γ优选为40。在一、四缸的高温废气引入二、三缸时，二、三缸的进气提前角大于一、四缸的排气提前角，保证了发动机工作平稳性，保持了各缸的输出功率均衡，避免发动机产生抖动。此外，二、三缸的总容积大于一、四缸的总容积，这样就可以减少一、四缸的排气阻力，保证了一、四缸的充气效率，也保证了发动机的有效功率输出。本实施例的燃料供给系统2的和现有的发动机相同，燃油喷射的控制也是采用空燃比反馈控制，主控模块根据安装在一、四缸的排气管中的氧传感器反馈回来的信息对喷油量作出修正，如此来控制一、四缸的实际喷油量使它们接近理想的喷油量。本实施例的四缸活塞往复式发动机根据行驶情况，具有多种的控制模式。自动节能模式：当车辆的速度较快，扭矩输出需求较少时，主控模块根据车速、发动机转速等各传感器传来的信息可选择自动的切换到节能模式控制，控制气体供给系统4不工作，燃料供给系统2工作，同时，切换一、四缸的排气到排气管中，打开二、三缸的进、排气门，使二、三缸不工作，减少发动机的工作阻力，此时的发动机冷却靠电子控制风扇冷却系统冷却。自动环保模式：当车辆的速度较快，扭矩输出需求较少时，主控模块根据车速、发动机转速等各传感器传来的信息也可选择自动的实施到环保模式控制，燃料供给系统2不工作，气体供给系统4工作，同时，切换二、三缸的进气到进气管中，进气不经过一、四缸汽缸，打开一、四缸的进、排气门，使一、四缸不工作，减少发动机的工作阻力，为了提高进气温度，可在进气管上设置预热装置对进入一、四缸的预压缩吸热气体进行加热，用以提高工作效率，提升发动机的功率输出。排出的气体就是预压缩的气体，不产生大气污染。应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。