CN101509437A - 高效高温型外燃机 - Google Patents

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高效高温型外燃机，它涉及的是热能转换技术领域。它是为了克服现有内燃机热转换效率低，燃烧不完全而向空气中排放大量的污染气体的问题，及现有斯特林发动机还存在膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等成本很高，热量损失是内燃发动机的2－3倍的问题。它的做功气缸通过倒气气缸与燃烧室连接，燃具设置在燃烧室内，做功活塞、倒气活塞分别设置在做功气缸、倒气气缸中；做功活塞、倒气活塞分别与飞轮总成转动连接。本发明能将燃料的燃烧热能直接高效的转换成机械能，而不需要传热媒介，其高温端的工作温度可在500℃～1500℃(视燃料燃烧的温度而定)，低温端的工作温度在室温与100℃之间，其热转换效率为50％～80％。

Description

高效高温型外燃机
技术领域
本发明涉及的是热能转换技术领域。
背景技术
现有内燃机广泛的应用在各个领域中，其中汽车应用的数量是最多的，给人类生活带来了诸多便利，但其热/机转换效率一般是在20％～40％之间，其余60％～80％的热能无法利用而需要向外排放，同时因燃料不能完全燃烧，其尾气将向空气中排放大量的污染气体，使空气受到严重的污染，具统计这些是造成地球环境变暖的主要原因之一。给人类将来的生活环境带来了无法挽回的损失与破坏。
斯特林发动机是斯特林于1816年发明的。斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷收缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气(或氦)作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。
但是，斯特林发动机还有许多问题要解决，例如膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等。所以，还不能成为大批量使用的发动机。
发明内容
本发明是为了克服现有内燃机热转换效率低(在20％～40％之间)，燃烧不完全而向空气中排放大量的污染气体的问题，及现有斯特林发动机还存在膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等成本很高，热量损失是内燃发动机的2-3倍的问题。进而提出了一种高效高温型外燃机。
它包括做功气缸1、做功活塞2、倒气气缸3、倒气活塞4、燃烧室5、燃具6、热交换器7、飞轮总成8；
做功气缸1右端口与倒气气缸3的左端口相对接，做功活塞2设置在做功气缸1内部并与其内表面密封滑动连接，倒气活塞4设置在倒气气缸3的内部并与其内表面密封滑动连接；倒气气缸3的右端为闭合端，其上开有通孔并与阀门3-3的一个端口连通，阀门3-3的另一端口与燃烧室5内腔连通；阀门3-3在倒气活塞4的右端距倒气气缸3内部右端面最近时开通，阀门3-3在倒气活塞4的右端距倒气气缸3内部右端面最远时关闭；燃具6设置在燃烧室5内，燃具6的燃烧火焰上端靠近阀门3-3的另一端口处；燃烧室5上侧开有废气出口5-1，燃烧室5的下端进气端口通过热交换器7与外部自然空气进气端口7-1连通；做功气缸1的右端设置有排气阀门3-1，高温时的空气体积减去低温时的体积再除以做功活塞2的截面积的数值为做功活塞2自最左端向右端运动的做功行程，然后排气阀门3-1开通，做功活塞2因飞轮惯性继续向右端运行-排气行程，即将剩余气体完全排出，然后直到做功活塞2运动到最右端时关闭；倒气气缸3的右端开有回热出气端口3-2，做功气缸1的右端开有回热进气端口1-1，回热出气端口3-2通过热交换器7与回热进气端口1-1连通；做功气缸1的外部设置有散热器1-2；做功活塞2通过第一连杆2-1、第一活动连杆2-2与飞轮总成8的摇臂8-1转动连接；倒气活塞4的第二连杆4-1穿过做功活塞2上的通孔2-3后通过第二活动连杆4-2与飞轮总成8的摇臂8-1转动连接；第二连杆4-1与做功活塞2上的通孔2-3内表面密封滑动连接。
本发明能将燃料的燃烧热能直接高效的转换成机械能，而不需要传热媒介，其高温端的工作温度可在500℃～1500℃(视燃料燃烧的温度而定)，低温端的工作温度在室温与100℃之间，其热转换效率为50％～80％，高温端与低温端温差越大，其热转换效率越高。其总零件数为现有内燃机总零件数的30％以下。
其高温端的材料及燃烧室的材料应用现有材料即可能实现，例如可用现有高耐温陶瓷，其耐温为1300℃～1700℃，即制造成本低廉，而能实现大批量生产销售的目的。
由于燃料是持续不断地燃烧，这就有可能把不希望在外面产生的污染物降低到最小限度，进而降低了环境污染。
它还具有运转平稳、噪声极小、结构简单、对材料要求低、使用方便、维护费用低、成本低廉、功率/重量比大的优点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，图2是具体实施方式三的整体结构示意图，图3是图1中飞轮总成8的摇臂8-1运动到左端时的结构示意图，图4是图1中飞轮总成8的摇臂8-1运动到下端时的结构示意图，图5是具体实施方式四的整体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图3、图4说明本实施方式，本实施方式由做功气缸1、做功活塞2、倒气气缸3、倒气活塞4、燃烧室5、燃具6、热交换器7、飞轮总成8组成；
做功气缸1右端口与倒气气缸3的左端口相对接，做功活塞2设置在做功气缸1内部并与其内表面密封滑动连接，倒气活塞4设置在倒气气缸3的内部并与其内表面密封滑动连接；倒气气缸3的右端为闭合端，其上开有通孔并与阀门3-3的一个端口连通，阀门3-3的另一端口与燃烧室5内腔连通；阀门3-3在倒气活塞4的右端距倒气气缸3内部右端面最近时开通，阀门3-3在倒气活塞4的右端距倒气气缸3内部右端面最远时关闭；燃具6设置在燃烧室5内，燃具6的燃烧火焰上端靠近阀门3-3的另一端口处；燃烧室5上侧开有废气出口5-1，燃烧室5的下端进气端口通过热交换器7与外部自然空气进气端口7-1连通；做功气缸1的右端设置有排气阀门3-1，高温时的空气体积减去低温时的体积再除以做功活塞2的截面积的数值为做功活塞2自最左端向右端运动的做功行程，然后排气阀门3-1开通，做功活塞2因飞轮惯性继续向右端运行-排气行程，即将剩余气体完全排出，然后直到做功活塞2运动到最右端时关闭；倒气气缸3的右端开有回热出气端口3-2，做功气缸1的右端开有回热进气端口1-1，回热出气端口3-2通过热交换器7与回热进气端口1-1连通；做功气缸1的外部设置有散热器1-2；做功活塞2通过第一连杆2-1、第一活动连杆2-2与飞轮总成8的摇臂8-1转动连接；倒气活塞4的第二连杆4-1穿过做功活塞2上的通孔2-3后通过第二活动连杆4-2与飞轮总成8的摇臂8-1转动连接；第二连杆4-1与做功活塞2上的通孔2-3内表面密封滑动连接。飞轮总成8的结构为斯特林热机的菱形驱动机构；即，实现做功活塞2、倒气活塞4都自最右端同步向左端运动，当都运动到最左端后，做功活塞2以先慢后快形式向右端运动，而倒气活塞4为先快后慢的形式向右端运动。
所述倒气气缸3的材质、倒气活塞4的材质选用耐高温材料，因不需要好的导热性，即可选用耐高温陶瓷材料。
散热器1-2选用风冷式或水冷式。做功气缸1的材质、做功活塞2的材质选用导热性能好的高强度金属材料。倒气活塞4的内部为空腔；可减小惯性。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式在具体实施方式一的基础上增加有热管回热装置9；热管回热装置9的吸热端设置在燃烧室5上侧的废气出口5-1中，热管回热装置9的放热端设置在外部自然空气进气端口7-1中。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。本实施方式能将燃烧室5上侧的废气出口5-1排出废气的热量再利用。提高整机的效率。热管回热装置9有多跟导热管组成；所述导热管选用金属粉末烧结在管内壁上形式的相变热管、轴向槽道(钩槽)式相变热管或紧贴管内壁的单/多层网芯式相变热管。
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式在具体实施方式一的基础上增加有绝热垫11；绝热垫11设置在做功气缸1右端口与倒气气缸3的左端口连接处之间。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。本实施方式可降低热能损失。
具体实施方式四：结合图5说明本实施方式，本实施方式在具体实施方式一、具体实施方式二、具体实施方式三或相互组合后的基础上增加有密封端盖2-4、管道2-6、空气增压机10；密封端盖2-4与做功气缸1左端口密封连接，第一连杆2-1、第二连杆4-1都分别穿过密封端盖2-4，并与密封端盖2-4密封滑动连接，在做功气缸1的左端开有通气孔2-5，通气孔2-5与管道2-6的一端口连通，管道2-6的另一端口与燃烧室5的上中部连通，外部自然空气进气端口7-1的进气端与空气压缩机10的出气端连通。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。本实施方式可增加装置的功率/重量比。
工作原理：本装置的部分工作原理与斯特林发动机工作原理相同。
燃具6点燃后工作，在其火焰周围的空气温度将达到500℃以上(视燃料种类几燃烧方式而定，普通燃烧方式即可达到500℃以上)，飞轮总成8中的飞轮逆时针转动，做功活塞2、倒气活塞4都在最右端同步向左段运动，同时阀门3-3开通，火焰周围的500℃以上的高温空气被快速吸进倒气气缸3中，当做功活塞2、倒气活塞4都运动到最左端时阀门3-3关闭，飞轮总成8中的飞轮继续逆时针转动，将带动倒气活塞4以先快后慢的形式向右端运动，将倒气气缸3中的高温空气通过回热出气端口3-2、热交换器7、回热进气端口1-1排挤到做功活塞2与倒气活塞4之间处，因高温空气在通过热交换器7时，50％左右的热量将交换给从外部自然空气进气端口7-1进入的新鲜空气中，即上述高温空气的温度将降低原来温度的一半左右，同时使从外部自然空气进气端口7-1进入的新鲜空气升温度也与其温度相近似；然后上述高温空气在进入做功活塞2与倒气活塞4之间处后，其热量将通过做功气缸1的外部散热器1-2散发出去，使其体积迅速缩小，进而使做功活塞2左右两端产生压力差，而将做功活塞2向右端推动做功，当做功活塞2自最左端向右端运动时，到高温气体的温度降低到室温至100℃之间时，即空气体积也不在缩小时，同时做功活塞2自最左端向右端运动总行程的三分之二至六分之一间，排气阀门3-1开通，由于飞轮总成8中的飞轮惯性的作用将继续逆时针转动，而带动做功活塞2继续向右端运动，将剩余空气全部通过排气阀门3-1排出，然后进入下一个工作循环中，这样周而复始，本装置将热能快速的转换成机械能。

Claims (5)

1、高效高温型外燃机，其特征在于它包括做功气缸(1)、做功活塞(2)、倒气气缸(3)、倒气活塞(4)、燃烧室(5)、燃具(6)、热交换器(7)、飞轮总成(8)；
做功气缸(1)右端口与倒气气缸(3)的左端口相对接，做功活塞(2)设置在做功气缸(1)内部并与其内表面密封滑动连接，倒气活塞(4)设置在倒气气缸(3)的内部并与其内表面密封滑动连接；倒气气缸(3)的右端为闭合端，其上开有通孔并与阀门(3-3)的一个端口连通，阀门(3-3)的另一端口与燃烧室(5)内腔连通；阀门(3-3)在倒气活塞(4)的右端距倒气气缸(3)内部右端面最近时开通，阀门(3-3)在倒气活塞(4)的右端距倒气气缸(3)内部右端面最远时关闭；燃具(6)设置在燃烧室(5)内，燃具(6)的燃烧火焰上端靠近阀门(3-3)的另一端口处；燃烧室(5)上侧开有废气出口(5-1)，燃烧室(5)的下端进气端口通过热交换器(7)与外部自然空气进气端口(7-1)连通；倒气气缸(3)的左端设置有排气阀门(3-1)，高温时的空气体积减去低温时的体积再除以做功活塞(2)的截面积的数值为做功活塞(2)自最左端向右端运动的做功行程，然后排气阀门(3-1)开通，做功活塞(2)因飞轮惯性继续向右端运行-排气行程，即将剩余气体完全排出，然后直到做功活塞(2)运动到最右端时关闭；倒气气缸(3)的右端开有回热出气端口(3-2)，做功气缸(1)的右端开有回热进气端口(1-1)，回热出气端口(3-2)通过热交换器(7)与回热进气端口(1-1)连通；做功气缸(1)的外部设置有散热器(1-2)；做功活塞(2)通过第一连杆(2-1)、第一活动连杆(2-2)与飞轮总成(8)的摇臂(8-1)转动连接；倒气活塞(4)的第二连杆(4-1)穿过做功活塞(2)上的通孔(2-3)后通过第二活动连杆(4-2)与飞轮总成(8)的摇臂(8-1)转动连接；第二连杆(4-1)与做功活塞(2)上的通孔(2-3)内表面密封滑动连接，飞轮总成(8)的结构为斯特林热机的菱形驱动机构；即，实现做功活塞(2)、倒气活塞(4)都自最右端同步向左端运动，当都运动到最左端后，做功活塞(2)以先慢后快形式向右端运动，而倒气活塞(4)为先快后慢的形式向右端运动。
2、根据权利要求1所述的高效高温型外燃机，其特征在于所述倒气气缸(3)的材质、倒气活塞(4)的材质选用耐高温材料，可选用耐高温陶瓷材料。
3、根据权利要求1所述的高效高温型外燃机，其特征在于它还增加有热管回热装置(9)；热管回热装置(9)的吸热端设置在燃烧室(5)上侧的废气出口(5-1)中，热管回热装置(9)的放热端设置在外部自然空气进气端口(7-1)中。
4、根据权利要求1所述的高效高温型外燃机，其特征在于它还增加有绝热垫(11)；绝热垫(11)设置在做功气缸(1)右端口与倒气气缸(3)的左端口连接处之间。
5、根据权利要求1所述的高效高温型外燃机，其特征在于它还增加有密封端盖(2-4)、管道(2-6)、空气增压机(10)；密封端盖(2-4)与做功气缸(1)左端口密封连接，第一连杆(2-1)、第二连杆(4-1)都分别穿过密封端盖(2-4)，并与密封端盖(2-4)密封滑动连接，在做功气缸(1)的左端开有通气孔(2-5)，通气孔(2-5)与管道(2-6)的一端口连通，管道(2-6)的另一端口与燃烧室(5)的上中部连通，外部自然空气进气端口(7-1)的进气端与空气压缩机(10)的出气端连通。
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