CN101353980B - 一种内燃机 - Google Patents

Abstract

一种内燃机，涉及热力发动机技术，属机械工程领域，它包括：①膨胀机、②压缩机、③回热器、④循环工质等四大主要部份。膨胀机吸收高温热能并对外作功，压缩机对循环工质压缩并连续为膨胀机提供高压气体，本发明的目标是提出一种具有发展潜力的内燃机。

Description

一种内燃机

技术领域

本发明涉及热力发动机技术，属机械工程领域。

背景技术

热力循环在热物理学和动力工程发展史上占有重要位置，是发动机技术发展的理论基础和能源动力系统的核心，也是热物理学科开拓发展的推动力与理论基础之一。历史证明，每一次新的热力循环及其热机的发展应用，都将带动能源利用技术的飞跃，有力推动了社会进步和生产力发展。

本文设定的一种热力循环由二个定压回热过程和二个多变过程组成(如图1所示)，这里先称之为H开式循环。二个定压回热过程由一套回热器(气---气换热器)实现(如图2所示)。

二个多变过程分别是一个多变压缩过程和一个多变膨胀过程，严格地说是升温压缩过程和升温膨胀过程。

发明内容

一种内燃机，它有四个主要部件：①膨胀机、②压缩机、③回热器、④循环工质，膨胀机是内燃型膨胀机，压缩机是冷却型压缩机，回热器是气--气逆流换热器，循环工质是空气。热机在高温热源和低温冷却源之间工作，高温热源是指给膨胀机加热的热源，即燃烧气体，低温冷却源是指对压缩机和排出机外的废气冷却的冷却源，主要是指环境。循环工质—空气在热机内的工作流程是：

①环境中的空气进入压缩机内被压缩，同时空气透过压缩机机体向低温冷却源散热，形成高压状态。

②高压状态的空气进入回热器，在回热器内空气被迎向而来的高温低压废气加热升温，形成高温高压状态。

③高温高压状态的空气进入膨胀机，在膨胀机内膨胀作功，膨胀同时也与喷入膨胀机内的燃料混合燃烧，最后形成高温低压状态，也是废气，这一过程是一个多变膨胀过程。

④从膨胀机出来的高温低压状态的废气进入回热器，在回热器内废气与从压缩机出来的高压气流换热、降温，废气再排入环境中。

上述①②③④构成一个工作循环，这个工作循环是H开式循环。

为实现H开式循环中的多变膨胀过程，本发明设计了一种实现多变膨胀过程的内燃多变膨胀机组，给内燃多变膨胀机组供热的供热方式是燃料喷入膨胀机内，燃料与膨胀气流混合燃烧。

内燃多变膨胀机组的进出口和压缩机出进口连接组合为一个执行H开式循环的热机，简称一种内燃机。

附图说明

图1为H开式热力循环的温熵图，箭头指向为循环过程方向，图中1→2为内冷压缩过程，2→3为定压升温过程(回热升温)，3→4为多变膨胀过程(内加热膨胀过程)，4→0→1是定压降温过程，其中4→0为定压降温过程(回热降温)，0→1为排入环境过程。

图2为回热器示意图，冷热气体分别由相反箭头指向流入流出回热器进行热交换，回热器是逆流型换热器。

图3为内燃膨胀机示意图，高压气体由下方箭头指向进入膨胀机内，膨胀后由下方箭头指向离开膨胀机，驱动叶轮转动轴，对外作功，同时与上方喷入膨胀机内的燃料(如：燃油)混合燃烧，吸热。

图4为活塞式内燃膨胀机示意图，燃料与进入膨胀机内的气体混合燃烧，直接加热膨胀气流，驱动活塞，对外作功。

图5为压缩机示意图，低压气体由下方箭头指向进入压缩机内，被压缩后由下方箭头指向离开压缩机，外力驱动叶轮转动轴，对气体进行压缩，同时气体向上方流入压缩机壳体的冷却介质排热Q(放热)。

图6为图3与图2的连合体，为内燃型多变膨胀机组示意图。

图7为图4与图2的连合体，为活塞式内燃型多变膨胀机组示意图。

图8为三段型回热器示意图，是三个在不同温度段工作的回热器之串联体。冷热气体分别由相反箭头指向流入流出回热器进行热交换，回热器是逆流型换热器。

图9为内燃机示意图，为图6与图5的组合。膨胀机通过叶轮轴对外作的功分为两部分：一部分驱动压缩机，另一部分为净输出功。

具体技术实施方案

一内燃膨胀机：

A)廻转式内燃膨胀机：如图3所示，廻转式内燃膨胀机是指类似①离心式、②轴流式、③螺杆式、④罗茨式、⑤滑片式等膨胀机，燃料喷入，雾化燃烧在气流膨胀通道上，可采用多点性喷入布置，确保膨胀过程气流温度平稳升高，这个过程也是多变膨胀过程。

B)活塞式内燃膨胀机：如图4所示，膨胀机形同活塞式内燃机，活塞从上止点开始进高压气流，进气流同时会吸取一点气缸内的高温余热，活塞在向下滑行开始时关闭进气阀，同时向腔内间歇性喷燃料，燃料在高温高压腔点燃，膨胀作功过程开始。为保证缸内空气膨胀终端温度最高，燃料可多点间歇性喷入，利用好燃烧过程时间差，使燃烧过程不暴燃、平稳发展、贯穿膨胀过程，形成低压高温废气，这个过程就称为内加热多变膨胀过程。与传统活塞式内燃机的喷油燃烧过程不同点是：传统活塞式内燃机的喷油燃烧过程回避后燃现象，内加热多变膨胀过程可以接受合理的后燃现象。膨胀过程到下止点时打开排气阀，低压高温废气在活塞推动下排气，这个过程也是多变膨胀过程。

二内燃型多变膨胀机组和多变膨胀方法：

将内燃型膨胀机进出口和回热器出进口连接，就是内燃型多变膨胀机组，如图6和图7所示，高压低温状态的循环工质进入回热器，出回热器后再进入膨胀机进行膨胀和燃烧，成为低压高温状态状态，出膨胀机后再进入回热器。由于循环工质在膨胀机内燃烧，进入回热器低压状态的循环工质温度必高于进入回热器的高压状态的循环工质的温度，也必高于进入膨胀机的高压状态的循环工质的温度，因此，在膨胀机内膨胀的循环工质实际上是一个升温的多变过程。膨胀机出进口循环工质的温度差等于回热器进出口的温度差，也可等同于回热器的传热温差。显然，我们可以认为：回热器逼迫循环工质在膨胀机内进行一个升温的多变过程，当回热器的传热温差足够小时，升温的多变过程就会向等温过程逼近，在膨胀机内的循环工质的温度变化趋势将由膨胀机内的燃烧过程制约。由于这种设计较易克服暴燃现象，工作时的振动或噪音比公知的活塞式内燃机易于控制，对机体的破坏力度可以减轻，振动或噪音也可减弱。三压缩机与压缩方法：

如图5所示，冷却源对压缩机机体冷却，机体可设计成空心内腔式，冷却源在空心内腔的流道流动。机体尺寸要足够大，以便压缩气流与壳体接触面积足够大，保证冷却源顺畅吸收压缩气流热量，同时大尺寸可减低传热温差，减小压缩耗能。

四回热器(气---气换热器，逆流换热器)的结构设计要点(如图8所示)：

由于回热器的冷热流进口温度差较大，高温端可能上千摄氏度，压力差也较大，对回热器的材质要求也较高，为节约成本开支，可做高温、中温、低温三段或更多段串联设计。高温段可选用材质要求较高(成本也较高)的耐热耐压材质，中温段可选用材质要求较低点的，低温段材质要求最低。高温段与膨胀机相连，低温段与压缩机相连。回热器是逆流气---气换热器，流道阻力要尽量小。回热器的传热温差决定了膨胀机的进出口温差，是膨胀过程多变指数的重要影响因数，因此回热器的结构设计非常重要。

五执行H开式循环的内燃机：

内燃多变膨胀机组和内冷却压缩机组合，构成执行H开式循环的内燃机，如图9所示。压缩机要求有良好的冷却设计结构以尽可能逼近等温压缩。环境中的空气被压缩后进入回热器，与内加热多变膨胀机出来的废气换热，提高温度，形成高温高压气流，待内加热多变膨胀机进气口打开后迅速进入，燃烧膨胀作功，膨胀机出口废气进入回热器，换热降温后排入环境中。

^*一种内燃机：

前述五执行H开式循环的内燃机简称一种内燃机，这种内燃机的效率主要由下述因素决定：

①回热器传热温差。

②压缩机壳体传热性能。

③多变膨胀机壳体传热性能。

④高低压力比。

⑤压缩机和膨胀机的有效效率。

Claims (3)

1.一种内燃机，其特征是：它包括①膨胀机、②压缩机、③回热器、④循环工质四大主要部份，膨胀机是加热型膨胀机，压缩机是冷却型压缩机，回热器是气--气逆流换热器，循环工质是空气，循环工质在内燃机内的工作循环是这样的：①循环工质进入压缩机内被压缩，压缩同时也在透过压缩机机体散热，这一过程是冷却压缩过程；②完成冷却压缩过程的高压状态的循环工质进入回热器，在回热器内工质被迎向而来的高温工质加热升温，形成高温高压状态，这一过程是定压吸热过程；③高温高压状态的循环工质进入膨胀机，在膨胀机内燃烧升温膨胀并作功，形成高温低压状态，这一过程是吸热升温膨胀过程；④从膨胀机出来的高温低压状态的循环工质进入回热器，在回热器内工质与从压缩机出来的高压气流换热降温，这一过程是定压放热过程；冷却压缩过程、定压吸热过程、吸热膨胀过程、定压放热过程构成一个工作循环，这个工作循环也称H开式循环。

2.按照权利要求1所述的内燃机，其特征是：所述回热器由不同材质的气--气逆流换热器串联组合。

3.按照权利要求1所述的内燃机，其特征是：燃料直接加入膨胀机膨胀腔内，与循环工质混合燃烧，吸热膨胀过程不得有爆燃现象，吸热膨胀过程是升温过程，膨胀机实现吸收热能和对外作功两大功能。

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