内燃机和斯特林复合发动机 【技术领域】
本发明属于发动机技术， 具体涉及一种由内燃机和斯特林发动机复合组成的发动机。 背景技术 随着石油能源短缺和排放法规的逐步严格， 节能减排问题也越来越受关注。寻找 高效率、 无污染的能源， 推进能源二次利用以及研究能量回收转换的方法， 都是减少能源浪 费、 提高能源利用率的有效途径。内燃机燃料燃烧所产生的能量， 大约只有 1/3 左右被有效 利用， 其余的均被散失到大气中， 其中排气散失所占的能量也近 1/3。因此有效利用内燃机 废气能量， 是节能减排、 提高发动机热效率的有力措施。
目前内燃机余热回收利用的途径主要有 ： 涡轮增压技术、 余热空调、 利用废气能量 温差发电、 基于朗肯循环回收废气能量等。但是这些方法各有其局限性。增压技术只能利 用排气的部分能量， 涡轮出口的排气仍具有较高的温度， 具有再次利用价值 ； 余热空调技术 没有功的输出， 且能量利用率低 ； 温差发电则受限于材料等技术的发展， 热电转换效率低 ； 采用朗肯循环回收废气能量， 系统复杂， 体积和重量都很难达到要求。 斯特林发动机结构紧 凑， 但是目前利用的斯特林发动机回收内燃机废气余热的方案效率仍然较低， 本发明的提 出能够使内燃机废热得到更加充分的利用， 提高发动机的热效率， 显著地降低发动机的油 耗， 改善发动机的动力性。
发明内容
本发明的目的是， 提供一种由内燃机和斯特林发动机复合组成的发动机， 利用发 动机的排气作为斯特林机的高温热源， 带动斯特林发动机工作， 并与内燃机以同一曲轴输 出动力， 达到提高废热利用率， 提高发动机动力性的目的。
以下结合附图对本发明的结构原理进行说明。 本发明包括内燃机和斯特林发动机 以及加热器、 回热器、 冷却器、 曲轴等。关键在于将内燃机和斯特林发动机合为一个机体， 内燃机的排气管路串接斯特林发动机的加热器， 内燃机的排气作为斯特林发动机的高温热 源， 即高温排气与加热器进行换热后再作为废气排出。由内燃机和斯特林发动机两个系统 产生的动力驱动同一根曲轴 （如图 1） 。 在能源利用上， 内燃机由燃料与空气的混合物燃烧产 生动力， 推动自身活塞对外做功 ； 同时利用内燃机的高温排气来与斯特林发动机内的循环 工质进行换热， 工质受热膨胀后推动斯特林机自身的活塞对外做功。斯特林发动机的工质 经过两个闭式循环回路对外做功， 两个闭式循环交替推动活塞往复运动 （如图 2） 。 即内燃机 系统通过工质燃料燃烧推动活塞做功， 斯特林发动机系统中的工质接收内燃机的废热推动 斯特林机活塞做功， 两个系统中的活塞驱动同一根曲轴转动。
本发明的特点和有益效果是， 可以实现斯特林发动机最大限度地吸收内燃机排气 废热， 使斯特林发动机发出最大可能的动力， 与传统内燃机废热回收装置相比， 复合发动机 在相同的燃油消耗率下能发出更大的功率， 显著改善动力性， 且回收系统体积小， 结构紧凑。 附图说明
图 1 为本发明系统结构示意图。 图 2 为斯特林发动机结构原理示意图。 图 3 为复合发动机的功率随转速的变化曲线。具体实施方式
以下结合附图并通过实例对本发明作进一步的说明。在结构上， 内燃机 1 和斯特 林发动机 4 合为一个机体， 内燃机 1 的排气管路 2 串接斯特林发动机的加热器 3， 内燃机的 排气作为斯特林发动机 4 的高温热源， 由内燃机 1 和斯特林发动机 4 两个系统产生的动力 驱动同一根曲轴 5（如图 1） 。高温废气经加热器把热量传给斯特林发动机的工质后， 低温 废气排向大气环境。 斯特林发动机中的工质经两个相同闭式循环回路 （如图 2） ， 循环工质可 以是氢气， 也可以是氦气。第一循环回路依次由第一膨胀腔 6-1、 第一活塞 7-1、 第一压缩腔 8-1、 第一回热器 9-1、 第一冷却器 10-1 及第一组加热管 11-1 组成 ； 第二循环回路依次由第 二膨胀腔 6-2、 第二活塞 7-2、 第二压缩腔 8-2、 第二回热器 9-2、 第二冷却器 10-2 及第二组 加热管 11-2 组成。第一和第二膨胀腔 6-1、 6-2 与所对应的第一或第二回热器 9-1、 9-2 之 间设有第一或第二组加热管 11-1、 11-2， 每组由多根加热管并行联接组成。 加热器 3 为管翅 式热交换器， 管侧为第一或第二组加热管 11-1、 11-2， 壳侧流体为内燃机 1 的排气。第一或 第二组中的加热管是带有翅片的金属管。
在斯特林发动机中， 无论是第一循环回路或是第二循环回路， 其工质做功工作原 理都是相同的 ： 斯特林发动机工质吸收内燃机排气热量后在本回路膨胀腔中受热膨胀， 推 动本回路活塞向下运动， 驱动曲轴做功。具体过程是 ： 本回路活塞向下运动时， 本回路压缩 腔中的工质先经过本回路的冷却器进行冷却， 然后进入本回路的回热器与加热管吸热， 吸 热后的工质进入本回路的膨胀腔进行膨胀做功 ； 同理， 当本回路的活塞向上运动时， 本回路 膨胀腔中的工质要先经过本回路中的加热管吸热在进入本回路的回热器， 然后经过本回路 的冷却器冷却后返回压缩腔， 如此往复循环。通过选择合适的工作相位与内燃机的循环匹 配， 使复合发动机的运转平稳， 输出功率最大。
回热器串接在加热器与冷却器之间， 其作用是工质从高温端流向低温端时吸收工 质中的部分热量， 使工质温度降低 ； 当工质在后半个循环即由低温端流向高温端时， 回热器 将热量传给工质， 使流出回热器的工质温度升高。回热器是由 200-250 目的不锈钢丝网构 成， 换热表面积与单位容积之比高达 300cm2/cm3。结构是将直径为 35-50μm 的不锈钢丝编 织成的网布加工成圆片， 按一定角度错开， 一片片地叠在一起， 装入一个薄壁圆筒内。
斯特林发动机的工质可以选择氢气或氦气， 本实施例实验是一台四缸 3.9 升的柴 油机与两缸的斯特林发动机， 斯特林发动机的总工作容积为 118cc。循环工质选择的是氢 气。工质的平均循环压力为 12MPa 时。实验证明， 本发明可使柴油机的平均有效功率增加 10%。图 3 为复合发动机的功率随转速的变化关系曲线。图 3 中的曲线 1 为斯特林发动机 功率， 曲线 2 为柴油机功率， 曲线 3 为复合发动机功率。从图 3 可以看出， 在不消耗多余燃 料的前提下， 各个转速下复合发动机的功率都比原内燃机有所增大， 转速越高功率增大越明显。此外， 这种复合发动机还可以利用斯特林发动机扭矩特性好、 适应性系数高， 部分负 荷特性好等优点， 弥补柴油机的不足。