CN101270702A - 内燃式热气机 - Google Patents

Abstract

一种内燃式热气机，主要由汽缸、汽缸盖、压缩机、换热器、配气机构、动力传递机构及加热器组成，所述的加热器由喷油器、电热塞、容积可变的燃烧室组成。该热气机是按由两个等温过程和两个等压过程组成的循环的基础上建立的一种新型循环工作的发动机。在配气机构和动力传动机构的作用下，热气机中的活塞不停顿地运行。热气机进气通道上设有冷却机构和水雾发生器，这样，热气机中的压缩机低比例地压缩低温空气和水雾的混合物时不产生高温，因此，有助于提高运行效率。该热气机像内燃机那样汽缸里燃烧作功，其大部分零部件与现有的内燃机的相同。

Description

内燃式热气机

所属技术领域

本发明涉及一种热气机，尤其是按斯特林循环工作的内燃式热气机。

背景技术

热学理论上，自然界中循环效率最高的热机为卡诺热机和斯特林发动机。卡诺热机是法国工程师萨迪.卡诺在1824年提出的，当时实际应用的热机只有蒸汽机，然而它的热效率和机械效率均很低，只有3％-5％，其中95％的能源都被浪费掉。此后经过众多科学家的理论研究和工程师们的实际改进后，到1840时蒸汽机的效率提高到8％左右。在生产需要的推动下，不少科学家和工程师从理论上研究蒸汽机的效率，卡诺也不例外，他对热力学的研究是从提高蒸汽机的目的出发的，他仔细研究蒸汽机后发现，其效率低的原因是由于散热、漏气、摩擦等因素损耗能量外，另一方面是由于一部分热量在低温热源处放出。与此同时卡诺研究了一种理想热机的效率，该热机是在最理想的前提下工作的。假设热机的工作物质只与两个恒温热源，即恒定的高温热源和恒定低温热源之间交换能量。没有散热、漏气等因素存在，这种热机叫卡诺热机，其循环过程叫卡诺循环。该热机的工作物质从高温热源吸热，部分用来对外做工，剩下的部分热量向低温热源放出。

现在我们来研究理想气体准静态过程的卡诺循环的效率，即假设工作物质是理想气体，而循环过程是准静态过程。由于是准静态过程，所以在工作物质与高温热源接触的过程中，基本上没有温度差，也就是说内外无限接近于温度平衡。这样，工作物质和高温热源接触而吸热的过程是一个温度为T₁的等温过程。同样，和低温热源接触而放热的过程可看作是温度为T₂的等温过程。因为只和两个热源交换热量，所以当工作物质和两热源分开时的过程必然是绝热过程。这样，准静态过程的卡诺循环就是由两个等温过程和两个绝热过程所组成的循环过程。

为了求其效率，我们来研究一下各过程中能量转化的情况：

(1)高温热源与汽缸连接，汽缸内理想气体吸热并等温膨胀，同时推动活塞对外做工，此过程中气体由高温热源吸热为

$Q_1=v{\mathrm{RT}}_1\ln \frac{V_2}{V_1},---\left(1\right)$

式中v为气体的摩尔数，V₂和V₁分别表示气体膨胀以前和膨胀以后的体积。

(2)高温热源对汽缸的加热停止，气体开始绝热膨胀，经活塞对外做工，活塞到达下止点时此过程停止，温度降到T₂。

(3)活塞开始向上移动，低温热源与汽缸连接，气体经过一等温压缩过程。在这过程中，外界对气体做工，气体向低温热源放热的数值为

$Q_2=v{\mathrm{RT}}_1\ln \frac{V_3}{V_4},---\left(2\right)$

式中V₃和V₄分别表示气体被压缩前和被压缩后的体积。

(4)低温热源和汽缸断开，经过一绝热压缩过程回到原来状态，完成一循环过程。在这绝热压缩过程中，没有和外界交换热量，而外界对气体做工。

有以上分析可知，在整个循环过程中，气体从高温热源吸收的热量为Q₁，向低温热源放热Q₂，内能不变，因此根据热力学第一定律，系统对外做的工为

$A=Q_1-Q_2=v{\mathrm{RT}}_1\ln \frac{V_2}{V_1}-v{\mathrm{RT}}_2\ln \frac{V_3}{V_4}.$

所以其效率为

$\mathrm{\η}=\frac{A}{Q_1}=1-\frac{T_2\ln \frac{V_3}{V_4}}{T_1\ln \frac{V_2}{V_1}},---\left(3\right)$

根据绝热过程方程有

${\left(\frac{V_3}{V_2}\right)}^{r-1}=\frac{T_1}{T_2};$

${\left(\frac{V_4}{V_1}\right)}^{r-1}=\frac{T_1}{T_2}.$

将两式相比，可得

$\frac{V_2}{V_1}=\frac{V_3}{V_4}.$

所以 $\ln \frac{V_2}{V_1}=\ln \frac{V_3}{V_4}.$

带入(3)式，即得

$\mathrm{\η}=\frac{A}{Q_1}=1-\frac{T_2}{T_1}.---\left(4\right)$

由此可见，理想气体准静态过程的卡诺循环的效率只有高温热源和低温热源的温度决定。例如，高温热源的温度为1500K，低温热源的温度为300K，如果把它看作是理想气体准静态过程的卡诺循环，其效率为

$\mathrm{\η}=1-\frac{300}{1500}=80\%.$

和卡诺同一个历史时期的苏格兰牧师R.斯特林当时也在致力于研究热机，他于1816年发明了一种外燃机，即所述的热气机，其循环称为斯特林循环。这种发动机的结构示意图如图14所示，图中103-冷腔、104-热腔、105-加热器、106-配气活塞、107-回热器、108-冷却器、109-动力活塞。该热气机可用氢、氮或空气等为工质，在热气机封闭的汽缸内充有一定容积的工质。汽缸一端为热腔，另一端为冷腔.工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作工。燃料在汽缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。

已设计制造的热气机有多种结构，可利用多种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用试验。热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。

热气机实际循环效率较高，已接近柴油机，排气中有害成分较少，噪声较低。因燃料是在较多的过量空气中连续燃烧的，热气机无需气门机构，无爆炸燃烧，运行平稳振动小。

如图14所示，配气活塞式热气机在一个汽缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接、配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。

热力循环可以分为四个过程：

(1)等温压缩过程：配气活塞停留在上止点附近，动力活塞从它的下止点向上压缩工质，工质流经冷却器时将压缩产生的热量散掉，当动力活塞到达它的上止点时压缩过程结束。

此过程中工质向低温热源放出的热量

$Q_2=v{\mathrm{RT}}_2\ln \frac{V_2}{V_1},$

(2)等体回热过程：动力活塞停留在它的上止点附近，配气活塞下行，迫使冷腔内的工质经回热器流入配气活塞上方的热腔，低温工质流经回热器是吸收热量，使温度升高。

(3)等温膨胀过程：配气活塞继续下行，工质经加热器，在热腔中膨胀，推动动力活塞向下运动，并对外作功。工质由高温热源吸收的热量

$Q_1=v{\mathrm{RT}}_1\ln \frac{V_2}{V_1},$

(4)等体放热过程：动力活塞保持在下止点附近，配气活塞上行，工质从热腔经回热器返回冷腔，回热器吸收工质的热量，工质温度下降至冷腔温度。

在理论上，等体放热量等于回热量，因此，根据热力学第一定律，在整个循环过程中热气机对外界作功

A＝Q₁-Q₂，

其循环效率等于卡诺循环效率

$\mathrm{\η}=1-\frac{Q_2}{Q_1}=1-\frac{T_2}{T_1}.$

由于世界石油能源的短缺趋势及强烈的环保要求，各国都致力于研究热气机。热气机是1816年被发明的，但至今仍不能应用于大功率输出的场合。往复部件的连续运动(而活塞的理想运动为不连续运动)、非等温的压缩和膨胀过程、冷却器和加热器换热的有限性、排气损失、附加容积的增加以及气体流动损失等，都是导致大多数热气机失败的主要原因。

为此，本申请人在2006年12月26日申请了一种采用气门机构的热气机的发明(申请号为2006101675264、发明名称为储气换热发动机)，申请文件中首次提出了内燃式热气机的技术方案和工作循环。下面是储气换热发动机的理论循环：

储气换热发动机的理论循环由两个等温过程、两个等体过程及一个移动过程组成，与双缸式发动机的理论循环相同。储气换热发动机的理论循环是在双缸式发动机的理论循环的基础上建立的，其循环效率是根据双缸式发动机的理论循环推出的。图15为双缸式发动机的循环过程图，发动机主要由热气缸1、换热器5及冷气缸9组成。热气缸的缸盖上布置了进气阀3和排气阀4。冷气缸盖上布置了单向进气阀7和单向排气阀8，冷气缸与冷却系统相连。发动机工作时高温热源向换热器管内腔的气体放热，其活塞2和活塞10同步运动。发动机的理论循环如下：

(1)a～b①等温膨胀：活塞2从上止点l₁移动到点l₂的过程，进气阀3打开、排气阀4关闭，换热器管内腔5的气体从高温热源吸收热量，同时等温膨胀通过管道和进气阀3冲入热气缸里，推动活塞2对外做工。次过程中系统从高温热源吸收的热量

$Q_1=v{\mathrm{RT}}_1\ln \frac{V_2}{V_1},$

②等温压缩：活塞10从下止点l₄移动到点l₅的过程，单向进气阀7和单向排气阀8都关闭，随着活塞10的上行，冷气缸内的气体被等温压缩。此过程中系统向低温热源放热

$Q_2=v{\mathrm{RT}}_2\ln \frac{V_3}{V_4},$

(2)b～c移动过程：活塞2从点l₂移动到下止点l₃、活塞10从点l₅移动到上止点l₆的过程，热气缸和冷气缸内气体的压强相等的下一时刻开始冷气缸的气体冲开单向排气阀8，此后通过管道冲入换热器管内腔5，原管内腔气体被冲入热气缸1里。次过程中高温热源的加热停止。

说明：①次过程中热气缸和冷气缸内气体的压强相等，并高温热源的加热停止，因此外界对系统作功为零；②假设：冷气缸的气体冲入换热器管内腔5的过程中不从高温管壁吸热，即次过程中系统内部不交换能量。

(3)c～a①等体放热：活塞2从下止点l₃移动到上止点l₂、活塞10从上止点l₆移动到下止点l₄的过程，进气阀3关闭、排气阀4打开，热气缸的气体经排气阀4进入换热器管外腔6，一面向管内腔气体放热，一面冲开单向进气阀7进入冷气缸9内。

此过程中热气缸的气体放热

Q₃＝vC_V(T₁-T₂)，

②等体吸热：此过程中换热器管内腔5的气体从管外腔6里流动的热气吸热                        Q₄＝vC_V(T₁-T₂)，

在理论上，热气缸气体放出的热量等于换热器管内腔气体吸收的热量。因此循环效率

$\mathrm{\η}=1-\frac{Q_2}{Q_1}=1-\frac{\mathrm{vR}{T}_2\ln \frac{V_3}{V_4}}{{\mathrm{vRT}}_1\ln \frac{V_2}{V_1}},$

这里V₁＝V₄是换热器管内腔的容量，热汽缸的容量V₂等于冷汽缸的容量V₃，即                        V₂＝V₃，

于是 $\mathrm{\η}=1-\frac{T_2}{T_1}.$

储气换热发动机的循环过程较复杂，但这种发动机的结构很简单，尤其是发动机的动力转动机构非常简单。储气换热发动机也是一种热气机，但不同于现有热气机。现有热气机称为外燃式发动机，它的理论热效率等于卡诺循环效率，然而它的功率太低，不能用在汽车等大功率机体上。传统热气机中，在有限的时间内，用外燃式加热方式对功质不能提供足够的能量，这样，提高热气机输出功率的问题遇到了很大技术难题。而储气换热发动机是内燃式发动机，其输出功率可以燃料供应的增加而提高，以下是内燃式热气机的工作原理：

(1)a～b燃烧：打开进气阀、关闭排气阀，燃烧室内喷油器喷入燃料，点火器同时点火，燃烧着的气体冲入热腔并推动活塞，活塞经活塞杆带动主齿轮转动。

(2)b～c移动过程：燃烧室内燃烧停止，热腔和储气室内气体的压强达到相等，与此同时开始储气室的部分气体冲开单向气阀，同时冲入换热器管内腔(包括燃烧室)，此时原管内腔的气体被冲入热腔。

(3)c～a换热过程：关闭进气阀、打开排气阀，活塞开始反行，此时热腔内的热气通过排气阀和管道进入换热器管外腔，一面向管壁放热，一面排到大气中。此过程中冲入换热器管内腔的气体在管内呈层流，因此冲入燃烧室的气体的温度高于下部管内腔的气体。

(4)在循环整个过程中，压气机不断地从大气里吸入空气，同时向储气室压进去。

发明内容

本发明的目的是，提供一种内燃式热气机，此种热气机与传统热气机的区别为，采用了气门机构，以前的外燃式闭式循环改成内燃式开式循环，还采用了进气冷却技术和空气水雾混合物的压缩技术。从而可实现：热气机中活塞的连续运动，动力传动机构为简单，热气机循环中的各个阶段都非常接近理论上的过程。

为了实现上述发明目的，所述的内燃式热气机主要由包汽缸、汽缸盖、压缩机、换热器、配气机构、动力传递机构及加热器组成，所述的汽缸盖上布置了配气机构，主要由进气阀、排气阀、凸轮轴、正时齿轮等组成，所述的汽缸里设有活塞，活塞、汽缸及气缸盖密封形成容积随活塞的移动而变化的容腔，气缸盖上布置的进气阀和排气阀在凸轮轴的作用下有规律地开启或关闭，所述的活塞经活塞杆或连杆与动力传递机构连接，压缩机与动力传递机构经动力传动设施连接，所述的压缩机与水雾发生器连接，或者压缩机本身经喷水后在压缩腔内可生成水雾的压缩机，所述的压缩机上还设有空气进口和空气出口，所述的换热器由两个气体通道组成，其第一气体通道的气体进口与压缩机的空气出口连接；其第一气体通道的气体出口与汽缸的进气阀连接；其第二气体通道的气体进口与汽缸的排气阀连接，其第二气体通道的气体出口与大气连通，所述加热器与热汽缸连接。

所述的动力传递机构为曲柄连杆机构，活塞通过连杆与曲柄连接，曲柄的动力输出轴与压缩机连接。

作为本发明的改进，所述的加热器为汽缸盖上嵌入式布置的燃烧器，包括容积可变的燃烧室、电热塞和压电式喷油器，电热塞通过ECU接通电热塞的电路，所述的压电式喷油器带有多个圆锥形微小深孔的喷孔式喷嘴，所述的容积可变的燃烧室主要由燃烧室活塞、活塞环、复位弹簧、压盖、隔热筒、导向筒组成，燃烧室活塞的下端部处于由耐高温陶瓷材料制作的隔热筒内，当燃烧室活塞向上移动或者在下止点以外的任何一个位置时，燃烧室活塞下端面和隔热筒所构成的圆柱孔形成燃烧室，该燃烧室与上述汽缸、活塞、缸盖所密封而形成的容腔连通，该燃烧室与所述容腔的连通处的侧面对称布置了电热塞和压电式喷油器，压电式喷油器的部分喷孔朝向该燃烧室，另一部分喷孔朝向上述的容腔，所述燃烧室活塞的上端部处于导向筒内，此两个部件中间设有活塞环，并与润滑机构连接，燃烧室活塞上端面与复位弹簧下端接触，复位弹簧的上端与压盖接触，压盖由螺丝、垫片等固定在导向筒上端、缸盖上方。

所述的水雾发生器为超声波水雾发生器，其上设有空气进口、空气出口，水雾发生器的空气进口与冷却装置的空气出口连接，冷却装置的空气进口与大气连通。水雾发生器上还设有冷凝水进口，所述的进气冷却机构由冷凝器、压缩机、蒸发器及流体控制器组成，所述的蒸发器的流体出口与压缩机流体进口连接，所述的压缩机的流体出口与冷凝器流体进口连接，冷凝器流体出口通过流体控制器的高压阀、储液干燥罐、低压开关、膨胀阀与连接蒸发器的流体进口连接，蒸发器的另一个流体通道的空气进口与大气连接，其空气出口与水雾发生器的空气进口连接，蒸发器的凝聚水出口与水雾发生器的凝聚水进口连接。

所述的换热器和压缩机中间还布置了独立储气室，所述独立储气室的空气进口与压缩机的空气出口连接，换热器第一气体通道的空气进口与独立储气室的空气出口连接，此独立的储气室与换热器第一通道内的容腔、压缩机和储气室之间的气体通道的容腔共同形成与上述独立储气室功能相同的储气室，独立储气室的空气进口和空气出口处还可以设置节流阀。

作为本发明的进一步改进，所述的曲柄通过动力输出轴与双曲柄单连杆机构连接。

由上述发明而产生的技术效果是明显的：

(1)由于该热气机是内燃式循环工作的，因此，相比传统热气机，本发明所提出的热气机的输出功率会更大，很可能接近汽油机。内燃式加热的传热效率远比外燃式加热的效率高，因此热气机的效率进一步提高。

(2)由于该热气机是开式循环的，因此，在发动机的每一个循环开始以前可以改变工作物质。当空气的温度比较高，湿度也比较高时，首先把空气冷却，在冷凝过程中有凝结水析出，空气湿度明显降低。此后向低温干燥空气中放入适当的水雾，以免在压缩空气的过程中产生高温，但传统的热气机是闭式循环的，在循环过程中的压缩过程中，气体的温度很难保持低温的状态，从而影响热气机的工作效率。

(3)由于该热气机中采用了气门机构，因此，发动机就不再像传统热气机那样复杂、笨重。在发动机的循环过程中活塞的运动是连续的，因此发动机较传统热气机能够高速转动，而且动力传动机构也较简单，动力传递效率高。

(4)由于该热气机中，汽缸里只有一个活塞，只有活塞的上方和汽缸所构成的空间是燃烧室。此外，发动机活塞和汽缸之间不存在侧向压力，只有活塞环和汽缸之间产生轻度摩擦，因此，该热气机较传统的闭式热气机，其密封性能好，工质泄漏等问题对热气机的影响很小。

附图说明

图1-采用曲柄连杆机构的内燃式热气机的结构示意图；

图2-图1的E-E截面图；

图3-内燃式热气机的等温膨胀作功循环的过程图；

图4-内燃式热气机的四冲程工作循环过程图；

图5-内燃式热气机中采用齿轮传动机构的结构示意图；

图6-内燃式热气机中采用齿轮传动机构时热气机的剖面示意图；

图7-图6的A-A截面图；

图8-图6的B-B截面图；

图9-图6的C视图；

图10-内燃式热气机中采用的双曲柄传动机构的剖面图；

图11-内燃式热气机中采用的带有调节活塞的液压传动机构的工作原理图；

图12-带有凸轮轴调节机构的液压传动机构用在内燃式热气机上时，其工作原理图；

图13-带有凸轮轴调节机构的液压传动机构的凸轮轴在XY坐标系中的转角分配图；

图14-带有凸轮轴调节机构的液压传动机构的剖面图；

图15-带有凸轮轴调节机构的液压传动机构的D-D截面图；

图16-内燃式热气机中采用的列管式换热器的结构示意图；

图17-内燃式热气机的工作原理图，该热气机上采用普通的连杆曲柄机构时的工作原理图；

图18-现有热气机的工作原理图；

图19-采用曲柄连杆机构的热气机的曲柄通过动力输出轴与双曲柄单连杆机构连接的结构示意图；

图20-储气换热发动机的工作原理图。

具体实施方式

由图1所示，内燃式热气机主要由汽缸118、汽缸盖117、压缩机121、换热器16、配气机构、动力传递机构及加热器组成，所述的汽缸盖上布置了配气机构，主要由进气阀23、排气阀8、凸轮轴115、正时齿轮等组成，所述的汽缸里设有活塞25，活塞、汽缸及气缸盖密封形成容积随活塞的移动而变化的容腔137，气缸盖上布置的进气阀和排气阀在凸轮轴的作用下有规律地开启或关闭，所述的活塞经活塞连杆101与曲柄102连接，曲柄的动力输出轴122与压缩机121的驱动轴连接。内燃式热气机上可以采用多种压缩机，比如往复活塞式压缩机、螺杆压缩机、啮合齿轮压缩机、离心式压缩机等，主要是采用的压缩机必须与水雾发生器相连或者压缩机里安装了喷水生成水雾的机构，同时用流动水从压缩机的外面不断地冷却，图1中147为冷却水管道。

所述的压缩机与水雾发生器46连接，所述的压缩机上还设有空气进口124和空气出口120，所述的换热器由两个气体通道组成，其第一气体通道的气体进口114通过独立储气室与压缩机的空气出口120连接；其第一气体通道的气体出口11与汽缸的进气阀23连接；其第二气体通道的气体进口12与汽缸的排气阀8连接，其第二气体通道的气体出口112与大气连通。

如图2所示，所述的加热器为汽缸盖上嵌入式布置的燃烧器，包括容积可变的燃烧室136、电热塞135和压电式喷油器9，电热塞通过ECU接通电热塞的电路，所述的压电式喷油器带有多个圆锥形微小深孔的喷孔式喷嘴，所述的容积可变的燃烧室主要由燃烧室活塞133、活塞环132、复位弹簧127、压盖130、隔热筒134、导向筒126组成，燃烧室活塞133的下端部处于由耐高温陶瓷材料制作的隔热筒内134，当燃烧室活塞向上移动或者在下止点以外的任何一个位置时，燃烧室活塞下端面和隔热筒所构成的圆柱孔形成燃烧室136，该燃烧室与上述汽缸118、活塞25、缸盖117所密封而形成的容腔137连通，该燃烧室与所述容腔的连通处的侧面对称布置了电热塞135和压电式喷油器9，压电式喷油器的部分喷孔朝向该燃烧室，另一部分喷孔朝向上述的容腔，所述燃烧室活塞的上端部处于导向筒内，此两个部件中间设有活塞环，并与润滑机构连接，燃烧室活塞上端面与复位弹簧下端接触，复位弹簧的上端与压盖接触，压盖由螺丝、垫片等固定在导向筒上端、缸盖上方。当热气机压缩气体时容腔137内产生高温高压气体。这时，燃烧室活塞133向上移动并压缩复位弹簧，活塞25压缩气体到达上止点时，容腔137内的气体全部被压缩到燃烧室136内，此时，喷油器向燃烧室和容腔喷射高压燃料(这时燃烧室的温度较低时电热塞工作)，燃料迅速燃烧并推动活塞25向下移动。活塞25到达下止点时容腔内的压强降到很低的水平，此时，燃烧室活塞133也复位弹簧的推动下到达它的下止点。图2中，129为空气通口，当燃烧室活塞向下移动时空气通过此通口进入燃烧室活塞的上方的空间里，对复位弹簧、导向筒、燃烧室活塞上端部进行冷却。当燃烧室活塞向上移动时，空气通过通口排到大气里，从而避免了复位弹簧等的被过度加热而性能下降。

所述的水雾发生器和进气冷却装置后面有详细的解释，如图1所示，所述的换热器和压缩机中间还布置了独立储气室110，所述独立储气室的空气进口111与压缩机的空气出口120连接，换热器第一气体通道的空气进口114与独立储气室的空气出口113连接，此独立的储气室与换热器第一通道内的容腔、压缩机和储气室之间的气体通道的容腔共同形成与上述独立储气室功能相同的储气室，独立储气室的空气进口和空气出口处还可以设置节流阀。

在斯特林热机中采用等体回热的方式，这种回热循环中低温气体吸热的同时它的压强也不断升高，同时低温气体未吸热之前其压强上升而温度也上升。从而不能吸取相应的热量。当采用等压吸热后，因回热过程中低温气体的压强不变而温度也不会上升，从而，能够吸收相应的热量。等压回热过程中已压缩到很小体积的低温气体在吸热过程中进入大容积的汽缸里，因此，这种热机在回热的过程中仍向外作功。然而，在有大气的环境中开式工作时，大气对体积大的汽缸的活塞产生较大的阻碍，在没有大气的环境中闭式循环工作时，在发动机的等压放热过程中外界对发动机作功。在理论上，在等压回热过程中发动机向外作的功等于在等压放热过程中外界对发动机作的功。

该热气机中工质在压缩过程中有相变，即水雾在压缩以前时液态的，而压缩过程中汽化成水蒸气，并进入汽缸里作功。也就是说，在发动机循环中水雾从不是发动机的工质变为发动机的工质，发动机的作功过程中的工质的摩尔数大于压缩过程中的工质的摩尔数，而且，工质摩尔数的增加不影响发动机的回热过程和放热过程。这样，我们必须从新验证卡诺定理。

如图3所示，采用储气室的内燃式热气机的循环过程由等温压缩、等压回热、等温膨胀、等压放热四个过程组成，这种热气机的结构除了增设的换热器、储气室等结构外，发动机的结构基本与现有内燃机相同：

a-b等压回热过程：(图中的两个汽缸图是从不同的角度看的同一个汽缸的图)曲柄通过连杆带动活塞从上止点开始向下移动，与此同时进气阀23打开，储气室内的低温压缩气体经过换热器吸收热量后在经过进气阀等压地进入汽缸内，活塞下行到约1/3行程时进气阀关闭，并等压回热过程结束。

说明：在整个循环过程中压缩机不断地低温压缩空气和水雾的混合物，并压进储气室内。而在此过程中储气室内的气体经换热器吸热后进入汽缸里，这样，储气室里气体的减少速度比增加的速度大，从而导致气体的压强也随之下降。然而，当储气室的容量相对大，并且多缸发动机时气体压强在等压回热过程中的变化非常小，因此，可以看作储气室内压强没变。

b-c等温膨胀过程：活塞继续向下移动，这时喷油器9向汽缸里喷入燃料，点火器140同时点火，迅速燃烧的气体推动活塞向外作功。

说明：膨胀作功过程中进气阀23从开启的状态到关闭时需要一定的时间，当发动机的燃烧作功过程的前端过程为等压膨胀过程时进气阀内外气体的压强相等，从而，进气阀在发动机的燃烧并等压膨胀的过程中有足够的时间去关闭。燃烧气体先等压膨胀，然后开始绝热膨胀。在等压膨胀过程中气体的温度升高，然而，紧接着开始的绝热膨胀过程中其温度再下降到原来的温度。这样，等压过程和绝热过程中对外作的功远远多于等温膨胀过程中向外作的功，因此，发动机的效率和扭矩进一步提高。而发动机的等压膨胀过程中气体的最高温度远远超出了等温过程中气体的温度，因此，发动机的这种循环过程中效率和扭矩都提高了，但不和卡诺定理产生冲突。

c-d等压放热过程：活塞从下止点开式向上移动，排气阀8打开，燃烧后的高温气体经排气阀和换热器气体进口12进入换热器内，向换热管壁放热后从气体出口17处排出去。

d-a发动机的此循环过程在压缩机里进行，压缩机从大气里吸入低温空气，低温空气在途中经水雾发生器，与水雾均匀混合后进入压缩机压缩腔里被压缩。空气被压缩时产生的热量迅速转化为水雾的汽化热，从而保持压缩气体的温度很低的水平。压缩机压缩完后在等压压入储气室里，压缩机的此过程与等温回热过程相对应。

发动机的这种循环优点是，在发动机传动机构的高速转角内进行燃烧作功，因此，传动机构上产生的冲击较小，动力的衰减度很小。缺点为，发动机的功率不是很大，为此可以采用下面的循环：

如图4所示，发动机(内燃式热气机)的气缸盖上安装了容积可变的燃烧室136，把点火器改为电热塞135，喷油器9没变。这种热气机按四冲程工作，而且循环效率很高，这一点不同于现有内燃机：

e-a等压回热过程，活塞向下移动，进气阀23打开，气体经过换热器等压吸热后在经过进气阀进入汽缸内。

a-b低压绝热膨胀过程：活塞下行1/3行程时进气阀23关闭，排气阀也关闭着，已吸收热量的高温气体在汽缸内绝热膨胀，同时经过活塞向外作功，活塞到下止点时此过程结束。

b-c活塞开始向上移动，汽缸内的气体开始被绝热压缩，活塞到达上止点附近时汽缸内的气体的温度和压强急剧上升，此时气体的巨大压力迫使燃烧室活塞133向上压缩复位弹簧127移动，活塞到达上止点时压缩气体基本全部进入燃烧室活塞133向上移动而行程的圆柱形燃烧室136内。此过程中，气体先进行低压绝热压缩过程，然后进入高压绝热压缩过程。

c-d喷油器向燃烧室喷射燃料(如燃烧室内的温度此时不能使燃料自燃时电热塞工作)，燃料迅速爆炸燃烧，产生极大的压力推动活塞向下移动，此过程中气体先等压膨胀，此后绝热膨胀温度下降到与等压回热后的气体的温度相等。活塞到达下止点时此过程结束。

d-e等压放热过程：活塞从下止点开始向上移动，排气阀8打开，高温气体经排气阀和换热器气体进口12进入换热器，放热后气体从换热器气体出口17排出去。

在这种循环过程中发动机的热效率很高的同时能够输出很大的功率，而且发动机的结构与现有内燃机大体上相同。

如图19所示，曲柄连杆机构的动力输出轴139与双曲柄机构的摆动曲柄142连接，摆动曲柄在经过曲柄销146、连杆143、曲柄销145与曲柄144连接。这种发动机的传动机构能够使活塞在一个循环过程中两次到达上止点，一次到达下止点。例如，活塞从上止点开始向下移动到1/3行程后再向上移动到达上止点，此后又开始向下移动，到下止点后开始向上移动到达上止点完成一个循环。发动机上采用此种机构后，能够简化上述四冲程循环过程中无用的低压绝热膨胀过程和低压绝热压缩过程。图中140和141为轴承。

如图5所示，采用采用齿轮齿条传动机构的内燃式热气机由热汽缸24、冷汽缸(往复活塞式压缩机)28、换热器7、配气机构、水雾发生器46、进气冷却机构、动力传递机构及加热器组成。所述的热汽缸24上布置了配气机构，即进气阀23和排气阀8，所述的冷汽缸28上也布置了进气阀14和排气阀15。所述的进气冷却机构上设有空气进口4、空气出口19和凝聚水出口18。所述的水雾发生器的凝聚水进口18与进气冷却机构的凝聚水出口18连接、冷却空气进口19与进气冷却机构的空气出口19连接、水雾和空气的混合物出口44与冷汽缸的进气阀13(或14)连接。所述的换热器由两个气体通道组成：其第一气体通道的气体进口43与冷汽缸的排气阀15连接、气体出口11与热汽缸的进气阀23连接；其第二气体通道的气体进口与热汽缸的排气阀8连接、气体出口与大气连接。

所述的动力传递机构如图5、6、7、8、9所示，由热汽缸齿条液压缸26、冷汽缸齿条液压缸32、固定塞31(或54)、液压工质通道27、调节液压缸56、液压油补充机构、动力输出齿轮21及辅助齿轮35组成，热汽缸齿条液压缸26与热汽缸的活塞25连接，冷汽缸齿条液压缸32与冷汽缸的活塞30连接，上述两个液压缸各布置在导向架58内，液压缸外壁经滚珠59与导向架接触，热汽缸齿条液压缸26和冷汽缸液压缸32里都布置了固定塞54和31，此两个液压缸经固定塞中心孔和液压通道相互连接，液压工质通道上安装了溢流阀49，所述的调节液压缸36(或56)与冷汽缸齿条液压缸32连接，其里面布置了调节液压活塞55和复位弹簧50。所述的液压补充机构包括：补充液压缸51、动力弹簧53、凸轮轴系37、液压工质箱42、单项阀门39、液压工质滤清器41，补充液压缸通过单项阀门39和液压通道与热汽缸齿条液压缸26连接，补充液压缸和液压工质箱的通道上安装了滤清器41和单项阀门39；此外，热汽缸齿条液压缸26与动力输出齿轮21啮合，冷汽缸齿条液压缸32与辅助齿轮35啮合。所述的加热器为热汽缸里的燃烧器，包括点火器9和喷油器10，点火器与点火机构连接，喷油器与喷油机构连接，都平行布置在热气缸顶部。

所述的进气冷却机构由冷凝器6、压缩机1、蒸发器2及流体控制器3组成，所述的蒸发器的流体出口与压缩机流体进口连接，所述的压缩机的流体出口与冷凝器流体进口连接，冷凝器流体出口通过流体控制器的高压阀、储液干燥罐、低压开关、膨胀阀与蒸发器的流体进口连接，蒸发器的另一个流体通道的空气进口4与大气连接，其空气出口19与水雾发生器的空气进口连接，这种冷却技术是现有制冷机中的常规技术，因此，不作具体叙述。

所述的水雾发生器为超声波水雾发生器，其工作原理为：利用水槽底部换能器(超声波振子)将电能转换成机械能，向水中发射1.7MHz超声波。水表面在空化效应作用下产生直径为3-5μm的超微粒子。水雾粒子与流动空气进行热湿交换，达到等焓加湿空气的目的。

所述的内燃式热气机由两个工作系统组成，而且这两个系统是互相交叉的，热汽缸20、冷汽缸28、换热器7、冷却机构及水雾发生器为第一个热力循环上的工作系统。热汽缸24、冷汽缸29、换热器16、冷却机构及水雾发生器为第二个热力循环上的工作系统。然而，热汽缸20、冷汽缸29、调节液压缸36及补充液压机构为动力传递上的第一工作系统。热汽缸24、冷汽缸28、调节液压缸56及补充液压机构为动力传递上的第二工作系统。

此外，两个工作系统的热汽缸对称布置在动力输出齿轮的两侧，两个热汽缸的热汽缸齿条液压缸从动力输出齿轮的两侧与其啮合。两个工作系统的冷汽缸对称布置在辅助齿轮的两侧，两个冷汽缸的冷汽缸齿条液压缸从辅助齿轮的两侧与其啮合。动力输出齿轮通过主轴22与主摆动曲柄73连接，主摆动曲柄通过摆动曲柄曲柄销70、曲柄销轴承71、连杆72、主曲柄曲柄销75、主曲柄销轴承76与主曲柄74连接，辅助齿轮通过副轴33与副摆动曲柄77连接，副摆动曲柄通过摆动曲柄曲柄销、曲柄销轴承、连杆、主曲柄曲柄销、主曲柄销轴承与主曲柄连接。

图6、7、8、9、10为八缸内燃式热气机的结构示意图，由两个图5所示的机构组成(除水雾发生器和进气冷却装置外)。图9为该热气机的C视图，X线的上下机构相互对称，Y线的左侧的四缸为热汽缸，右侧的四缸为冷汽缸。图中11为换热器、78和8为热汽缸排气阀、23和79为热汽缸进气阀、13和14为冷汽缸进气阀、15和81为冷汽缸排气阀、80为换热器7管乘气体出口、83为换热器7壳乘气体出口、82为换热器7管乘气体进口、换热器壳乘气体从热汽缸排气阀78处进入换热器7。

内燃式热气机中采用的换热器如图16所示，与现有的工业上使用的列管式换热器基本相同。由封头11(或12)、壳体、壳乘气体进口12、壳乘气体出口17、管乘气体进口11、管乘气体出口43及间隔板85组成。热气机上对压缩气体的体积的要求非常高，吸热以前的气体的体积和吸热以后的气体的体积的相差越小越好，换热管内温度梯度越小越好，因此，此换热器的管束的内部面积很小，且很长。

如图6所示，热气机的缸盖和缸体为连续的一体，汽缸的顶部布置了配气机构，与现有内燃机的大体上相同。不同的是，热气机需要半密封机构，即气门杆和气门导管之间设置了密封机构，该机构为钢环式密封机构，和活塞环相同。这样，汽缸里的气体经过气门时气体不易泄漏，而且经过气门杆可以及时提供润滑油。气门导管和汽缸体之间没有相对运动，并且热汽缸和冷汽缸的这部位的温度不高，根据这些情况，这里采用橡胶环来密封。配气机构的其他部件有气门弹簧62、弹簧座63、气门锁片、摇臂、摇臂轴、摇臂轴套筒、挺杆、凸轮轴等。这些部件属于现有内燃机中的常规部件，因此这里不作详细介绍。

内燃式热气机的循环图如图13所示：

(1)等温压缩过程：图17中d～a过程，冷汽缸活塞30从下止点D移动到点B以及热汽缸活塞25从点C移动到上止点A的过程，冷汽缸内进气阀14和排气阀15都关闭着，冷汽缸活塞30从它的下止点向上压缩水雾和空气的低温混合物，压缩过程中产生的热量迅速转化为水雾的汽化热，当活塞30到达B点时压缩过程结束。此过程中热汽缸的热气通过排气阀和管道进入换热器管外腔。

(2)等压吸热过程：图17中a～b过程，冷汽缸活塞从B点到达它的上止点A的过程，以及热汽缸的活塞从上止点移动到点B的过程，冷汽缸的排气阀5打开，进气阀14仍关闭。热汽缸里进气阀23打开，排气阀8关闭。冷汽缸活塞上行，迫使冷汽缸内的压缩气体经排气阀15、管道、换热器管程气体进口进入管内腔，低温气体从管壁吸热后继续流动，经过管程气体出口和热气缸进气阀23进入热汽缸内。

(3)等温膨胀过程：图17中b～c过程，热汽缸活塞从点B下行到下止点D以及冷汽缸活塞从上止点A下行到点C的过程，热汽缸里进气阀和排气阀都关闭，喷油器9向热汽缸喷入燃料，同时点火器10点火，燃料迅速燃烧爆炸并产生高压，推动活塞对外做功。此时，冷汽缸经进气阀从超声波水雾发生器里吸入水雾和空气的低温混合物。

(4)等压放热过程：图中c～d～a过程，热汽缸活塞从下止点D上行到上止点A的过程，冷汽缸活塞从C点下行到下止点，再反行到点B的过程。热气缸里排气阀打开，进气阀关闭；燃烧做功后的高温气体经排气阀、管道、换热器壳程气体进口进入换热器管外腔，向换热器管束放热后经壳程气体出口17进入大气中。此过程中，冷汽缸先吸入水雾和空气的低温混合物，并等温压缩。

从上述内燃式热气机的循环过程可以看出，内燃式热气机的理论循环由两个等温过程和两个等压过程组成。在理想的情况下，两个等压过程中热气机与外界交换的能量相等，当考虑工质在循环过程中的相变时热效率到底多少的问题待进一步研究。在不考虑工质在循环过程中的相变时此种循环的热效率等于斯特林循环和卡诺循环效率循环效率为

$\mathrm{\η}=1-\frac{T_2}{T_1}.$

式中T₁为热汽缸中混合气体燃烧做功时产生的温度，T₂为冷汽缸中压缩混合气体时的温度，图17中A、B、C、D四点把汽缸分成三个部分，即A-B、B-C、C-D，因此，图17中的内燃式热气机的高温热源的温度T₁为低温热源的温度T₂的3倍，也就是说，压缩温度为300K左右，燃烧做功时产生的温度为900K左右，从而理论热效率为1-1/3＝2/3约67％。

1.内燃式热气机的等温膨胀过成已接近理论过程：内燃式热气机的热汽缸里燃烧做功的过程与现有汽油机有共同特点，也有不同之处。共同点为，都点燃混合气体，并燃烧爆炸时产生的巨大压力推动活塞对外做工。现有汽油机均采用连杆曲柄机构来传递动力，在其活塞的上死点上活塞的速度为零，并且此时的动力传动率也零，因此，汽油机的燃烧过程视为等体吸热过程。然而内燃式热气机的燃烧过程与此不同，其活塞从上止点开始下行到一定位置时才开始点火，比如低温热源的温度为300K，高温热源的温度为1500K时活塞下行到1/5行程时开始点火。此时活塞已处于高速运动阶段，爆炸燃烧产生的高温和热汽缸里容积的急速膨胀结合后非常接近到理论上所述的等温膨胀过程。

2.内燃式热气机的等温压缩过程接近理论过程：要挪用现有燃气轮机上的进气冷却技术，将进气温度下降到273.15K左右，同时把空气中的水汽凝聚出来。此外，在进气道上布置消耗功率很小的超声波水雾发生器，利用水槽底部换能器(超声波振子)将电能转换成机械能，向水中发射1.7MHz超声波。水表面在空化效应作用下产生直径为3-5μm的超微粒子。产生的超微水粒子与将被压缩的空气混合产生一定相对湿度的空气。由于水汽化需要大量的汽化热，将冷汽缸及压缩空气温度降低至300～350K，并达到与压缩空气均匀混合，形成一定相对湿度的压缩空气，到换热过程时由冷汽缸排气阀输出。被压缩的混合气体进入换热器管内腔时水雾基本汽化完，因此，不影响低温气体的吸热过程。

3.内燃式热气机的换热过程接近理论过程：在理想的情况下，进入换热器管内腔的气体所吸收的热量均为管外腔气体的热量，而实际过程中，换热器管内腔和管外腔里气体的温度呈现梯形分布。当管内腔的容积很大且管束较短时，管内腔的低温气体和高温气体约各占一半，此时只有一半气体的温度达到T₁，因此换热过程失败。然而管内腔的容积很小且长度较大时，进入管内腔的流动状态的低温气体与高温管壁接触的长度也相应的大，因此，温度达到T₁的气体远比温度小于T₁的气体多，从而热气机的吸热过程接近理论上的等体吸热过程。热气机的放热过程与吸热过程的原理相同。此外，在换热管的外管壁上还可以设置吸热片。这样，温度已降低的换热管从高温壳乘气体迅速吸收热量并传给低温管乘气体，也就是说，这样能够增高换热管内外气体之间的传热效率。

热汽缸齿条液压缸的整体形状为圆柱形，如图6和7所示，它是由液压缸、活塞杆、齿条、滑块等的共同体。在机构中起动力传递作用，其上的齿条与动力输出齿轮啮合，其液压缸和里面的固定塞31相对运动时，液压缸里的容积产生变化，从而把液压缸里的液压油挤出去，或被液压油充满并受到动力。冷汽缸齿条液压缸的工作原理与上述热汽缸齿条液压缸的相同。动力输出齿轮与主摆动曲柄连接，再经连杆与曲柄连接，通过此机构向外传递动力，如图10所示。辅助齿轮通过副轴、副摆动曲柄、连杆与曲柄连接。双曲柄机构在内燃式热气机中除了输出动力外还有调节运动的作用。尤其是在热气机上采用带有调节液压机构的液压传动机构时，压缩工质的冷汽缸活塞到达其上止点时由调节液压缸的动力弹簧提供动力的。一旦，弹簧的推力不能够使活塞到达上止点时，飞轮通过主曲柄、连杆、副摆动曲柄、副轴、辅助齿轮、冷汽缸齿条液压缸向冷汽缸活塞提供动力。

所述的冷汽缸齿条液压缸的内壁圆形面积/热汽缸齿条液压缸的内壁圆形面积＝2/3，两个液压缸的高度相等，当调节液压机构的调节液压活塞在其下止点时，此调节液压缸与调节活塞所密封形成的面积为V₅，固定塞与热汽缸齿条液压缸之间的体积最大值为V₁，固定塞与冷汽缸齿条液压缸之间的体积的最大值为V₃，并且V₅＝V₁+(冷汽缸温度T₂/热汽缸温度T₁)V₃。

内燃式热气机的液压传动机构的具体工作原理如图5和图11所示，两个热汽缸20和24对称布置在动力输出齿轮两侧，活塞87和25的运动方向相反。两个冷汽缸28和29对称布置在辅助齿轮两侧，活塞30和活塞88的运动方向相反。热汽缸20的液压机构、调节液压缸56、冷汽缸28的液压机构为第一动力工作系统；热汽缸24的液压机构、调节液压缸36、冷汽缸29的液压机构为第二动力工作系统；动力输出齿轮和辅助齿轮经双曲柄机构保持两个系统的活塞等部件的位移满足相差运动的要求，如图11为带有调节液压机构的液压传动机构的理想工作过程图：

(1)a～b过程：第一系统的活塞87和活塞88都向下运动，V₁和V₃缩小，其中的液压油进入V₅并迫使调节活塞55下行的同时压缩调节弹簧50；第二系统的活塞25和活塞30都向上移动，调节弹簧的作用力迫使调节活塞90向上运动，与此同时V₆里的液压油进入V₂和V₄，向活塞25和30提供动力。

(2)b～c过程：①第一系统的活塞87仍向下运动，而活塞88向上运动，活塞87通过液压机构向活塞88提供动力。然而，此过程中V₁的缩小速率大于V₃的扩大速率，这时多出的液压油进入V₅，同时推动调节活塞55压缩调节弹簧50，从而以弹簧势能的方式储存多出的能量。

②第二系统的活塞25仍向上运动，而活塞30向下运动，此时，V₂的扩大速率大于V₄的缩小速率，在体积扩大的趋势下，调节弹簧推动活塞90，使V₆的液压油进入V₂里，调节活塞90到达它的上止点附近时，V₂和V₄的变化速率相差度接近零，从而其上产生负向加速度，到达它的上止点时停下来。液压机构里未泄漏液压油或泄漏的液压油不到一定量之前，活塞90基本按固定的点(活塞25和30在A和C点附近的某一个固定的点，此固定点上V₂的扩大速率与V₄的缩小速率相等)上到达上止点。

一旦液压机构里泄漏的液压油超过一定值时，活塞90提前到达其上止点，然而，此时V₂的扩大速率仍大于V₄的缩小速率，于是V₂里的压强急速下降，与此同时，对V₂的压强非常敏感的液压油补充机构开始工作。如图5和图11的B-C过程所示，被压缩状态的弹簧53推动液压活塞40，将迫使51的液压油经过管道和单向阀48进入V₂，从而补充泄漏的液压油。此后凸轮轴37推动液压活塞反向运动，液压油箱42里的液压油经滤清器41和单向阀39进入51里。第一系统的液压油的补充工作原理与上述第二系统的相同。

(3)c～d过程：第一系统的活塞87开始向上移动，活塞88仍向上移动，调节液压缸V₅的液压油在弹簧50和活塞55的推动下进入V₁和V₂，向活塞87和88提供动力。第二系统的活塞25和30都向下移动，同时V₂和V₄的液压油进入V₆里。此过程中调节弹簧50向第一系统提供的动力大于第二系统向调节弹簧89提供的动力。因此，此过程中热气机的两个工作系统不需外界(飞轮)的辅助动力，然而，热汽缸齿条液压缸和冷汽缸齿条液压缸的内壁圆形面积相等时，在热气机的此过程中外界必须对两个工作系统提供动力，从而大大增加曲柄销轴承上的负荷。

(4)d～a过程：第一系统的活塞87向上运动，活塞88向下运动，此时，V₁的扩大速率大于V₃的缩小速率，在体积扩大的趋势下，调节弹簧推动活塞55，使V₅的液压油进入V₁里，调节活塞55到达它的上止点附近时，V₁和V₃的变化速率相差度接近零，从而其上产生负向加速度，到达它的上止点时停下来。第二系统的活塞25仍向下运动，而活塞30向上运动，活塞25通过液压机构向活塞30提供动力。然而，此过程中V₂的缩小速率大于V₄的扩大速率，这样，多出的液压油进入V₆，同时推动调节活塞90压缩调节弹簧89，从而储存多出的能量。

热气机的动力传动机构除上述液压机构外，还有三种机构：

(1)曲柄连杆机构，采用曲柄连杆机构可以满足热气机中热汽缸活塞和冷汽缸活塞的相对运动，如图17所示，曲柄连杆机构由曲柄102、连杆101组成。曲柄连杆机构的结构较简单，但这种机构的体积大，动力传动效率非常低。

(2)凸轮轴液压机构，此种机构除了凸轮轴液压机构和副轴外，其他机构与上述调节弹簧液压机构相同。如图12、13、14、15所示，凸轮轴液压机构由凸轮轴93、活动液压缸55(或90)、滚动轴承97(或98)、轴承中的轴、保持架94及固定塞组成。固定塞和保持架为一体，固定塞与活动液压缸接触，其间布置了活塞环，固定塞为空心的，此空心与保持架里的液压通道连接。活动液压缸和保持架之间设有滚珠95，活动液压缸上端安装了滚动轴承，滚动轴承与凸轮轴相接触，凸轮轴通过滚动轴承向活动液压缸提供动力。另外，热汽缸齿条液压缸和冷汽缸齿条液压缸的内壁圆形面积可以是相等的，也可以制作成大小不等。

图13和图15所示，当高温热源温度T₁为低温热源温度T₂的3倍时，凸轮轴93的转角分为六部。凸轮轴93与主轴连接，因此凸轮轴作往复旋转运动。设凸轮轴的转角范围为-50°～100°，顺时针方向为正方向。

下面为凸轮轴和活动液压缸的工作原理：

①θ在0°～-50°～0°内：活动液压缸90先适度向右移动，然后向左移动，活动液压缸55不动；

②θ在0°～50°内：液压缸90在凸轮轴的推动下向左移动，液压缸55在液压油的作用下向左移动；

③θ在50°～100°～50°内：液压缸90不动，而液压缸55先适度向左移动，然后向右移动；

④θ在50°～0°内：液压缸90在液压油的作用下向右移动，液压缸55在凸轮轴的推动下向右移动。

如图5和图12所示，内燃式热气机上采用凸轮轴液压机构时，两个冷汽缸28、29以及副轴33、辅助齿轮35与热汽缸的相应机构不再通过双曲柄机构连接，只通过液压机构与其连接。如图11和12所示，热气机的第一工作系统为例：

①当热汽缸活塞87和冷汽缸活塞88都向上移动的过程中，凸轮轴93(凸轮轴的转动与上述转角分配的过程向对应)迫使活动液压活塞55上行，将V₅的液压油挤入V₁和V₃里，从而凸轮轴同时向活塞87和88提供动力。

②当活塞87、88的运动方向相反时，如图12中B-C过程中，第一工作系统的正处于高速运动的热汽缸活塞87，向已停止并刚开始反行的冷汽缸活塞88提供动力。为了避免此过程中产生冲击，应当制作活塞88时，使其质量放的尽量小，此外，在b～c过程中液压活塞55仍适度下行，将活塞88的加速提供足够的空间。

③当活塞87上行，而活塞88下行时，活动液压活塞55不动。

④活塞87、88都向下移动的过程中，V₁和V₃的液压油进入V₅里，迫使活动液压活塞55下行。

图15为图10的D-D截面图，活动液压缸55和90由四个分液压缸组成，这样设计的目的为，降低每一个凸轮轴和滚动轴承上的负荷。

(3)等容液压缸传动机构，与上述调节弹簧液压机构基本相同，此机构的热汽缸齿条液压缸的内壁圆形面积与冷汽缸齿条液压缸内壁圆形面积相等，其他部件与调节弹簧液压机构完全相同。

Claims (6)

1.一种内燃式热气机，主要由汽缸、汽缸盖、压缩机、换热器、配气机构、动力传递机构及加热器组成，其特征在于：所述的汽缸盖上布置了配气机构，主要由进气阀、排气阀、凸轮轴、正时齿轮等组成，所述的汽缸里设有活塞，活塞、汽缸及气缸盖密封形成容积随活塞的移动而变化的容腔，气缸盖上布置的进气阀和排气阀在凸轮轴的作用下有规律地开启或关闭，所述的活塞经活塞杆或连杆与动力传递机构连接，压缩机与动力传递机构经动力传动设施连接，所述的压缩机与水雾发生器连接，或者压缩机本身经喷水后在压缩腔内可生成水雾的压缩机，所述的压缩机上还设有空气进口和空气出口，所述的换热器由两个气体通道组成，其第一气体通道的气体进口与压缩机的空气出口连接；其第一气体通道的气体出口与汽缸的进气阀连接；其第二气体通道的气体进口与汽缸的排气阀连接，其第二气体通道的气体出口与大气连通，所述加热器与热汽缸连接。

2.如权利要求1所述的内燃式热气机，其特征是：所述的动力传递机构为曲柄连杆机构，活塞通过连杆与曲柄连接，曲柄的动力输出轴与压缩机连接。

3.如权利要求1所述的内燃式热气机，其特征是：所述的加热器为汽缸盖上嵌入式布置的燃烧器，包括容积可变的燃烧室、电热塞和压电式喷油器，电热塞通过ECU接通电热塞的电路，所述的压电式喷油器带有多个圆锥形微小深孔的喷孔式喷嘴，所述的容积可变的燃烧室主要由燃烧室活塞、活塞环、复位弹簧、压盖、隔热筒、导向筒组成，燃烧室活塞的下端部处于由耐高温陶瓷材料制作的隔热筒内，当燃烧室活塞向上移动或者在下止点以外的任何一个位置时，燃烧室活塞下端面和隔热筒所构成的圆柱孔形成燃烧室，该燃烧室与上述汽缸、活塞、缸盖所密封而形成的容腔连通，该燃烧室与所述容腔的连通处的侧面对称布置了电热塞和压电式喷油器，压电式喷油器的部分喷孔朝向该燃烧室，另一部分喷孔朝向上述的容腔，所述燃烧室活塞的上端部处于导向筒内，此两个部件中间设有活塞环，并与润滑机构连接，燃烧室活塞上端面与复位弹簧下端接触，复位弹簧的上端与压盖接触，压盖由螺丝、垫片等固定在导向筒上端、缸盖上方。

4.如权利要求1所述的内燃式热气机，其特征是：所述的水雾发生器为超声波水雾发生器，其上设有空气进口、空气出口，水雾发生器的空气进口与冷却装置的空气出口连接，冷却装置的空气进口与大气连通。水雾发生器上还设有冷凝水进口，所述的进气冷却机构由冷凝器、压缩机、蒸发器及流体控制器组成，所述的蒸发器的流体出口与压缩机流体进口连接，所述的压缩机的流体出口与冷凝器流体进口连接，冷凝器流体出口通过流体控制器的高压阀、储液干燥罐、低压开关、膨胀阀与连接蒸发器的流体进口连接，蒸发器的另一个流体通道的空气进口与大气连接，其空气出口与水雾发生器的空气进口连接，蒸发器的凝聚水出口与水雾发生器的凝聚水进口连接。

5.如权利要求1或2所述的内燃式热气机，其特征是：所述的换热器和压缩机中间还布置了独立储气室，所述独立储气室的空气进口与压缩机的空气出口连接，换热器第一气体通道的空气进口与独立储气室的空气出口连接，此独立的储气室与换热器第一通道内的容腔、压缩机和储气室之间的气体通道的容腔共同形成与上述独立储气室功能相同的储气室，独立储气室的空气进口和空气出口处还可以设置节流阀。

6.如权利要求1或2所述的内燃式热气机，其特征是：所述的曲柄通过动力输出轴与双曲柄单连杆机构连接。

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