CN101852130A - 双媒体混合动力发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机技术领域，尤其是一种双媒体混合动力发动机。其包括发动机机体、机体内A缸和D缸的缸头上设有联通气阀和排气阀组件，B缸和C缸的缸头上设有进气阀，水泵连接A缸和D缸，曲轴通过连杆分别和A缸、B缸、C缸、D缸连接，排气组件汽/气接口通过排气组件联通管和排气组件联接管与废气/蒸汽分离器连接，废气/蒸汽分离器连接连接废气涡轮机和汽轮机，汽轮机通过回汽管和高压汽泵连接，高压汽泵的一端通过低温汽管连接汽、水流量控制/温度检测器，汽、水流量控制/温度检测器与排气阀组件连接，高压汽泵的另一端与冷凝器连接，冷凝器的一端通过水箱与水泵连接。本发明大大提高了发动机的热效率，节省了能源。

Description

双媒体混合动力发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其是一种双媒体混合动力发动机。

背景技术

内燃机历经百余年的发展，现今内燃机的效率较早期相比，已有了极大的提高。尽管如此，其热效率还是很低，即使是高性能的四冲程发动机(包括车用活塞式汽油发动机)，其热效率也不到30％，也就是说，燃料燃烧产生的有用能量只有不到1/3被我们有效利用，超过2/3的热量被浪费掉了。同时还污染了环境。进一步提高发动机的效率已是十分困难的事。究其原因，燃料燃烧产生的热量中，有相当大一部分通过排气方式排到大气中去了(这部分称为“排气损失”)，是主要原因之一。据下图显示，排气温度达800℃之高！其实排气阀口的温度还要高，可达900℃-1000℃。

发动机排出的高温废气，在到达排气管前，已被缸头冷却系统带走部分热量。根据卡诺定理描述，内燃机做功效率与所采用的媒体(做功媒介)无关，只与参与循环的高温端TH与低温端TL有关。公式表达为η＝1-TL/TH(K)。通常发动机均采用空气为媒体，其原因无需描述。而水通常只是作为发动机冷却所用，并不参与做功循环。

发明内容

为了克服现有的发动机热效率低的不足，本发明提供了一种双媒体混合动力发动机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双媒体混合动力发动机，包括发动机机体、机体内设有A缸、B缸、C缸和D缸，A缸和D缸的缸头上设有联通气阀和排气阀组件，B缸和C缸的缸头上设有进气阀，水泵连接A缸和D缸，曲轴通过连杆分别和A缸、B缸、C缸、D缸连接，排气组件置于汽缸顶部、缸头内部。排气组件汽/气接口通过排气组件联通管和排气组件联接管与废气/蒸汽分离器连接，废气/蒸汽分离器连接连接废气涡轮机和汽轮机，尾气排气管连接废气涡轮机，汽轮机通过回汽管和高压汽泵连接，高压汽泵的一端通过低温汽管连接汽、水流量控制/温度检测器，汽、水流量控制/温度检测器与排气阀组件连接，高压汽泵的另一端与冷凝器连接，冷凝器的一端通过水箱与水泵连接。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括A缸、B缸、C缸和D缸内均设有活塞。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括A缸和D缸的缸套内设有高温导热油和冷却/预热水管。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括A缸、B缸、C缸和D缸的曲轴曲拐夹角分别为30°、-30°、150°和180°。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述排气阀组件为排气阀、高温热交换器多功能组件，包括组件外套、排气阀、排气阀圈、导套和热交换器换热片。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括导套的上定位板和下定位板之间设有上安装板和下安装板，上安装板和下安装板之间设有双螺旋热交换汽管。

本发明的有益效果是，双媒体混合动力发动机中，水除参与冷却外，还作为第二媒体，通过一定的方式方法参与做功循环，利用发动机排气热量对水进行加热，使其成为具有一定温度、压力的蒸汽，成为第二动力源，所以称之为“双媒体混合动力发动机”。本发明是根据现有工业化生产水平，采用成熟技术，围绕“第二动力源”，尽量简化结构，适应工业化大规模生产的需求。本发明大大提高了发动机的热效率，节省了能源。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中I部放大示意图；

图3中，(a)是排气阀组件的主视图；(b)是排气阀组件的俯视图；

图4是A缸曲轴曲拐夹角示意图；

图5是B缸曲轴曲拐夹角示意图；

图6是C缸曲轴曲拐夹角示意图；

图7是D缸曲轴曲拐夹角示意图。

图中1.曲轴，2.连杆，3.活塞，4.缸头，5.排气阀组件，6.联通气阀，7.进气阀，8.机体，9.缸套，10.水箱，11.冷凝器，12.水泵，13.高压汽泵，14.汽轮机，15.废气涡轮机，16.废气/蒸汽分离器，17.汽、水流量控制/温度检测器，18.冷却/预热水管，19.高温导热油，20.供水管，21.低温汽管，22.涡轮机--输出轴耦合带，23.回汽管，24.尾气排气管，25.排气组件联接管，26.排气组件联通管，27.排气组件汽/气接口，28.出气通道，29.进气通道，31.A缸，32.B缸，33.C缸，34.D缸，51.排气阀，52.排气阀圈，53.上定位板，54.下安装板，55.导套，56.双螺旋热交换汽管，57.上安装板，58.上定位板，59.组件外套，510.热交换热片。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

一种双媒体混合动力发动机，包括曲轴1、连杆2、活塞3、缸头4、排气阀组件5、联通气阀6、进气阀7、机体8、缸套9、水箱10、冷凝器11、水泵12、高压汽泵13、汽轮机14、废气涡轮机15、废气/蒸汽分离器16、汽、水流量控制/温度检测器17、冷却/预热水管18、高温导热油19、供水管20、低温汽管21、涡轮机--输出轴耦合带22、回汽管23、尾气排气管24、排气组件联接管25、排气组件联通管26、排气组件汽/气接口27、A缸31、B缸32、C缸33和D缸34。其中排气阀组件5包括排气阀51、排气阀圈52、上定位板53、下安装板54、导套55、双螺旋热交换汽管56、上安装板57、上定位板58、组件外套59和热交换热片510。

如图1是本发明的结构示意图，一种双媒体混合动力发动机，包括发动机机体8、机体8内设有A缸31、B缸32、C缸33和D缸34，A缸31和D缸34的缸头4上设有联通气阀6和排气阀组件5，B缸32和C缸33的缸头4上设有进气阀7，水泵12连接A缸31和D缸34，曲轴1通过连杆2分别和A缸31、B缸32、C缸33、D缸34连接，排气组件汽/气接口27通过排气组件联通管26和排气组件联接管25与废气/蒸汽分离器16连接，废气/蒸汽分离器16连接连接废气涡轮15机和汽轮机14，尾气排气管24连接废气涡轮机15，汽轮机14通过回汽管23和高压汽泵13连接，高压汽泵13的一端通过低温汽管21连接汽、水流量控制/温度检测器17，汽、水流量控制/温度检测器17与排气阀组件5连接，高压汽泵13的另一端与冷凝器11连接，冷凝器11的一端通过水箱10与水泵12连接。

A缸31、B缸32、C缸33和D缸34内均设有活塞3。

A缸31和D缸34的缸套9内设有高温导热油19和冷却/预热水管18。

A缸31、B缸32、C缸33和D缸34的曲轴曲拐夹角分别为30°、-30°、150°和180°。

排气阀组件5为排气阀51、高温热交换器多功能组件，包括组件外套59、排气阀51、排气阀圈52、导套55和热交换器换热片510。排气阀组件5置于A缸31和D缸34的顶部、缸头4的内部。

导套55的上定位板58和下定位板53之间设有上安装板57和下安装板54，上安装板57和下安装板54之间设有双螺旋热交换汽管56。

图2是图1中I部放大示意图，排气阀组件5包括排气阀51、排气阀圈52和导套55，出气通道28和进气通道29设在排气阀组件5内。

图3是排气阀组件示意图，排气阀组件5包括组件外套59、排气阀51、排气阀圈52、导套55和热交换热片510。导套55的上定位板58和下定位板53之间设有上安装板57和下安装板54，上安装板57和下安装板54之间设有双螺旋热交换汽管56。

A缸31和D缸34的缸盖上设有一只联通气阀6，分别用于控制A、B，D、C缸的通断。曲轴1曲拐夹角也不是通常四缸机的4×90°，而是采用0°(图4所示)，-30°(图5所示)，150°(图6所示)，180°(图7所示)的方式。以A拐为0°，则B、C、D拐分别为-30°、150°、180°。以图示曲轴1顺时针方向旋转，A缸31和D缸34领先B缸32和C缸33为30°时到达活塞4上止点。B缸32和C缸33只完成吸、压冲程，分别通过联通气阀6将压缩后的混合气送入A缸31和D缸34。A缸31和D缸34两缸只完成燃、排冲程，实现压燃分离，其后果很明显，热量向A缸31和D缸34两缸集中。以下为具体工作原理：

当A缸31活塞4到达上止点、结束排气冲程，排气阀组件5关闭。此时B缸32活塞4位于-30度位置，即将结束压缩冲程。由于B缸32“燃烧室”容积基本为“零”，此位置混合气体的压缩比大于常规发动机的压缩比，约为7.6∶1。此时打开联通气阀6，B缸32活塞4继续向上运动，A缸31活塞4开始向下运动，由于联通气阀6是打开的，被压缩的混合气体可以顺利进入A缸31。因为B缸32容积减小率大于A缸31容积增加率，混合气体继续被压缩。当A缸31和B缸32分别达到15度和-15度时，两缸容积变化率相等(符号相反)，混合气体达到最大压缩比，缸压最高。可以适当改变A缸31活塞4顶形状，形成一定的“燃烧室”空间，用以调整压缩比。在这前后，可以择机点火。活塞4继续运行，当B缸32活塞4达到上止点、混合气体全部排入A缸31后关闭联通气阀6。B缸32活塞4开始向下运行，进入吸气冲程。A缸31活塞4继续向下运行，完成燃烧冲程。

分析普通四冲程发动机，四冲程中，压燃两冲程发热，其中主要是燃烧冲程。排气冲程虽不发热，但也不至于降温。唯有吸气冲程，对汽缸而言是一个降温冷却过程，但对吸入的气体，却是一个连续升温的过程。在进气阀关闭之前，缸内气体已经达到一定的温度。进气阀关闭之后，缸内气体总质量较冷态比较少。温度较低的进气通道有利于吸入更多的气体。而燃烧需要较高的温度，这对矛盾在压燃分缸中得到较好的解决：温度较低的吸压缸和温度较高的燃排缸。

由于气体是不能无限制的被压缩，所有普通发动机在活塞到达上止点时，必须留有一定的容积存放压缩后的气体，称为“燃烧室容积”，本发明也不例外，只不过是借相邻气缸的空间做燃烧室用。对于吸压缸，对应的容积越小越好。只要选择及措施恰当，完全可以满足甚至优于普通发动机的燃烧条件。而且由于相邻燃排缸的曲拐已经转过一定角度，对发动机而言受力条件更好，更有利提高发动机的性能。对燃烧而言，由于汽缸容积增加速率的提高，使得缸内高温高压时间缩短、角度前移，但并不一定影响燃烧的完全性，因为燃烧是否完全并不全部取决于短时间的高温高压。

实际上本发明为四缸六阀结构，相对常见的四缸十六阀简单，但进、排气有效通径却大的多。

发动机的基本结构较普通发动机简单，吸压缸进气管电喷供油、节气门调节进气量、缸头配置大直径进气阀。吸压缸与燃排缸之间设小直径联通阀。燃排缸配置排气组件和点火装置。理想配置是吸压缸配置升程可变电子进气阀+点火装置，燃排缸加燃油直喷装置，使发动机具有可变压缩比、可控燃烧功能，即发动机在启动、低速和高速时采用点燃方式，中速时采用压燃方式，进一步提高发动机的效率和燃油经济性。甚至可以做到汽、柴油通用。

简单、高效的收集随排气排出的那部分热量，用于使部分水成为有一定温度、压力的蒸汽，用其驱动微型汽轮机组，成为发动机的第二动力源。显然，从四个缸八个小排气阀中回收热能，比从两个缸两个大气阀中回收热能，要难的多、效率低的多。这部分可分为两小部分：

1、“锅炉”部分：将排放的高温废气，变成适量的高温高压蒸汽和较低温度的废气，供后级使用。这部分由水泵12，预热水管18，汽、水流量控制/温度检测器17，排气阀组件5，排气组件联通管26、排气组件联接管25，高压汽泵13、冷凝器11、水箱10等辅助部分组成。水泵12分别向A、D缸31和34预热水管18供水，由汽、水流量控制/温度检测器17对水温和流量进行控制。进入排气阀组件5的水经第一步汽化后，与仍有一定温度的废气分别进入排气组件联通管26和排气组件联接管25进一步汽化，并达到低温过热。废气/蒸汽分离器16将驱废气、蒸汽分离后分别导出，蒸汽驱动汽轮机(蒸汽涡轮机)14。废气则驱动废气涡轮机15。涡轮机的输出经涡轮机-输出轴耦合带22连接到发动机输出轴，提供辅助动力。驱动汽轮机后的尾汽，仍有一定温度、压力，通过高压汽泵13返回排气阀组件5。

2、涡轮/汽轮机部分：系统图中，涡轮/汽轮机组需与发动机进行匹配整合。

这部分技术不仅适用于汽油机，同样也适用于柴油机。对于像16V280和16V240等铁路牵引用车载发动机，则可直接采用排气阀组件进行改造，可有效提高发动机的整机效率。

双媒体混合动力发动机中，水除参与冷却外，还作为第二媒体，通过一定的方式方法参与做功循环，成为第二动力源。所以称之为“双媒体混合动力发动机”。本发明是根据现有工业化生产水平，采用成熟技术，围绕“第二动力源”，尽量简化结构，适应工业化大规模生产的需求。本发明大大提高了发动机的热效率，节省了能源。

Claims (6)

1.一种双媒体混合动力发动机，包括发动机机体(8)、机体(8)内设有A缸(31)、B缸(32)、C缸(33)和D缸(34)，其特征是，所述A缸(31)和D缸(34)的缸头(4)上设有联通气阀(6)和排气阀组件(5)，所述B缸(32)和C缸(33)的缸头(4)上设有进气阀(7)，水泵(12)连接A缸(31)和D缸(34)，曲轴(1)通过连杆(2)分别和A缸(31)、B缸(32)、C缸(33)、D缸(34)连接，排气组件汽/气接口(27)通过排气组件联通管(26)和排气组件联接管(25)与废气/蒸汽分离器(16)连接，废气/蒸汽分离器(16)连接连接废气涡轮(15)机和汽轮机14，尾气排气管(24)连接废气涡轮机(15)，汽轮机(14)通过回汽管(23)和高压汽泵(13)连接，所述高压汽泵(13)的一端通过低温汽管(21)连接汽、水流量控制/温度检测器(17)，所述汽、水流量控制/温度检测器(17)与排气阀组件(5)连接，所述高压汽泵(13)的另一端与冷凝器(11)连接，所述冷凝器(11)的一端通过水箱(10)与水泵(12)连接。

2.根据权利要求1所述的双媒体混合动力发动机，其特征是，所述A缸(31)、B缸(32)、C缸(33)和D缸(34)内均设有活塞(3)。

3.根据权利要求1或2所述的双媒体混合动力发动机，其特征是，所述A缸(31)和D缸(34)的缸套(9)内设有高温导热油(19)和冷却/预热水管(18)。

4.根据权利要求1所述的双媒体混合动力发动机，其特征是，所述A缸(31)、B缸(32)、C缸(33)和D缸(34)的曲轴曲拐夹角分别为30°、-30°、150°和180°。

5.根据权利要求1所述的双媒体混合动力发动机，其特征是，所述排气阀组件(5)为排气阀(51)、高温热交换器多功能组件，包括组件外套(59)、排气阀(51)、排气阀圈(52)、导套(55)和热交换器换热片(510)。

6.根据权利要求5所述的双媒体混合动力发动机，其特征是，所述导套(55)的上定位板(58)和下定位板(53)之间设有上安装板(57)和下安装板(54)，上安装板(57)和下安装板(54)之间设有双螺旋热交换汽管(56)。

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