CN103061917B - 泵阀内燃热气机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泵阀内燃热气机，包括热气缸活塞机构和冷气缸活塞机构，所述热气缸活塞机构和所述冷气缸活塞机构经连通通道形成工质闭合回路，所述连通通道上设有叶轮压气机和涡轮动力机构，所述叶轮压气机对所述涡轮动力机构输出动力；所述工质闭合回路上设有内燃燃烧室、氧化剂入口和工质导出口。本发明通过利用内燃加热方式代替传统内燃热气机的外燃加热方式，将内燃加热方式的直接加热以致加热效率高的优势应用到热气机上，同时在工质闭合回路上使用泵结构，替代了阀门的作用。本发明克服了传统热气机中因工质的温度和压力难以达到更高水平而影响功率和功率密度的问题，从而可以有效节约能源并大幅度减少机构的体积、重量和制造成本。

Description

泵阀内燃热气机

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种内燃热气机。

背景技术

近年来，热气机得到广泛重视，然而传统热气机都是通过外燃加热的方式来提供动力的，外燃方式需要经过传热部件（通常为被加热容器的壁）来进行热传递，从而使得工质被加热，众所周知，外燃加热过程中很难将燃料燃烧的所有热量都用于加热工质，很大一部分热量都耗散在环境中了，特别是由于外燃加热方式受传热壁承压耐温能力的限制，不可能将工质的温度和压力加热到应有的高度。因此外燃加热方式的传热效率有限，从而使得传统热气机的效率和功率密度严重受限，为了解决这一问题，虽然有内燃热气机的技术方案被提出，但是其中工质流动要么是通过往复通道流动，要么是需要设置阀体，在阀体和活塞机构的作用下，使得工质定向流动；但是由于阀体控制、加工以及可靠性均有待提高，因此，需要发明一种工质定向流动而不需要阀体的热气机。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：

方案1：一种泵阀内燃热气机，包括热气缸活塞机构和冷气缸活塞机构，所述热气缸活塞机构和所述冷气缸活塞机构经连通通道形成工质闭合回路，在所述连通通道上设置叶轮压气机和涡轮动力机构，所述叶轮压气机对所述涡轮动力机构输出动力；在所述工质闭合回路上设置内燃燃烧室、氧化剂入口和工质导出口。

方案2：在方案1的基础上，所述涡轮动力机构设在所述热气缸活塞机构的排气口与所述冷气缸活塞机构的进气口之间的连通通道上；所述叶轮压气机设在所述冷气缸活塞机构的排气口与所述热气缸活塞机构的进气口之间的连通通道上；所述内燃燃烧室设在所述叶轮压气机的出口至所述热气缸活塞机构的排气口之间的工质闭合回路上。

方案3：在方案1或2的基础上，在所述工质闭合回路上设置降温器。

方案4：在方案3的基础上，所述降温器设置在所述冷气缸活塞机构上。

方案5：在方案1或2的基础上，所述冷气缸活塞机构的进气口和排气口一体化设置为冷缸进排共用配气口，所述冷缸进排共用配气口经共用通道和三通与所述叶轮压气机入口连通。

方案6：在方案3的基础上，所述工质导出口设在所述降温器下游的通道上，有利于导出被所述降温器所降温冷凝得到的液体工质。

方案7：在方案3的基础上，所述降温器设在所述涡轮动力机构与所述冷气缸活塞机构的进气口之间的连通通道上。

方案8：在方案3的基础上，在所述冷气缸活塞机构的排气口与所述叶轮压气机的连通通道上设置附属降温器。

方案9：在方案1或2的基础上，所述热气缸活塞机构所连接的连杆轴颈在曲轴上的相位和所述冷气缸活塞机构所连接的连杆轴颈在所述曲轴上的相位相差90度。

方案10：在方案1或2的基础上，所述热气缸活塞机构的进气口和排气口一体化设置为热缸进排共用配气口；所述热缸进排共用配气口经共用连通通道和三通与所述涡轮动力机构入库连通。

方案11：在方案10的基础上，在所述共用连通通道上设置回热器。

方案12：在方案10的基础上，在所述三通与所述涡轮动力机构入口的连通通道上设置附属回热器。

方案13：在方案10的基础上，所述冷气缸活塞机构的进气口和排气口一体化设置为冷缸进排共用配气口，所述冷缸进排共用配气口经共用通道和三通与所述叶轮压气机入口连通。

方案14：在方案10的基础上，在所述冷气缸活塞机构上设置降温器。

方案15：一种泵阀内燃热气机，包括冷热气缸活塞机构，还包括有涡轮动力机构和叶轮压气机，所述冷热气缸活塞机构、所述涡轮动力机构和所述叶轮压气机经连通通道形成工质闭合回路；在所述涡轮动力机构出口和所述叶轮压气机入口的连通通道上设置降温器；所述内燃燃烧室设在所述叶轮压气机的出口至所述冷热气缸活塞机构的排气口之间的所述工质闭合回路上。

方案16：在方案15的基础上，所述内燃燃烧室设在所述冷热气缸活塞机构内，所述冷热气缸活塞机构的进气口和排气口一体化设置为冷热气缸进排共用配气口；所述冷热气缸进排共用配气口设有配气门。

方案17：在方案1或15的基础上，所述涡轮动力机构或所述叶轮压气机设置为多级结构。

方案18：在方案1或15的基础上，所述泵阀内燃热气机还包括有不凝气储罐，所述不凝气储罐与所述工质闭合回路连通。

方案19：在方案18的基础上，所述热气缸活塞机构、所述冷气缸活塞机构和所述冷热气缸活塞机构中一个或多个的曲轴箱与所述叶轮压气机的入口连通。

方案20：在方案18的基础上，所述热气缸活塞机构、所述冷气缸活塞机构和所述冷热气缸活塞机构中一个或多个的曲轴箱与不凝气回收泵连通。

方案21：在方案1或15的基础上，所述涡轮动力机构的输出轴上设有惯量体。

本发明的原理是：利用所述涡轮动力机构和所述叶轮压气机，使得工质在没有阀体存在的情况下，可定向流动，从而使加热区和冷却区得以更高效率工作。不仅如此，由于所述涡轮动力机构和所述叶轮压气机存在，使得所述内燃燃烧室内的燃烧放热，可在更高压力下进行，因而可提高系统的效率。

本发明中，所谓的热气缸活塞机构和冷气缸活塞机构，是指由所述内燃燃烧室产生的高温工质，先到达的气缸活塞机构为热气缸活塞机构，后到达的为冷气缸活塞机构。

本发明中，所谓的冷热气缸活塞机构，是指在一个冲程中利用高温工质作功，在另一冲程将工质压缩或移送的气缸活塞机构。

本发明中，所谓的连通通道是指连通所述热气缸活塞机构和所述冷气缸活塞机构的工质流动的通道。

本发明中，所谓的工质闭合回路是指工质所流通的通道为闭合循环的。

本发明中，所谓的下游是指在流体流动的流动流上处于去流方向的位置，当把流体流动的流动流比作河流时，本发明中所谓的下游相当于河流的下游。

本发明中，所谓的工质导出口是指从所述内燃热气机工质系统中导出部分工质的出口，其目的是为了平衡导入的氧化剂和还原剂发生燃烧化学反应所产生的多余的工质，以维持所述内燃热气机工质系统的平衡。

本发明中，所谓的降温器是指对气体进行降温的装置，可以是散热器，也可以是以降温为目的的热交换器，还可以是混合式降温器；所谓混合式降温器，是指将温度较低的膨胀剂与高温高压气体混合使高温高压气体降温的装置。

本发明中，所谓的叶轮压气机，是指一切利用叶轮对气体进行压缩的装置，例如涡轮压气机等。

本发明中，所谓的涡轮动力机构，是指一切利用气体流动膨胀对外做功的机构，例如动力透平、动力涡轮等。可以对所述叶轮压气机输出动力，也可以对外输出动力。

本发明中，所谓的惯量体，是指具有一定形状的质量块，如传统发动机中的飞轮。

本发明中，所谓的不凝气，是指惰性气体、氮气等在所述工质闭合回路中经所述降温器冷却而不液化的气体。优选地，所述不凝气采用氩气。

本发明的有益效果如下:

本发明通过利用内燃加热方式代替传统内燃热气机的外燃加热方式，将内燃加热方式的直接加热以致加热效率高的优势应用到热气机上，同时在工质闭合回路上使用泵结构（如所述叶轮压气机和所述涡轮动力机构），起到了阀门作用。本发明克服了传统热气机中因工质的温度和压力难以达到更高水平而影响功率和功率密度的问题，从而可以有效节约能源并大幅度减少机构的体积、重量和制造成本，且同时对于活塞式和叶轮式的压缩和做功机构均实用，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1所示的是本发明实施例1的结构示意图；

图2所示的是本发明实施例2的结构示意图；

图3所示的是本发明实施例3的结构示意图；

图4所示的是本发明实施例4的结构示意图；

图5所示的是本发明实施例5的结构示意图；

图6所示的是本发明实施例6的结构示意图；

图7所示的是本发明实施例7的结构示意图；

图8所示的是本发明实施例8的结构示意图；

图9所示的是本发明实施例9的结构示意图；

图10所示的是本发明实施例10的结构示意图；

图11所示的是本发明实施例11的结构示意图；

图12所示的是本发明实施例12的结构示意图；

图中：

1热气缸活塞机构、11不凝气回收泵、12冷热气缸活塞机构、101共用连通通道、102三通、2冷气缸活塞机构、20冷缸进排共用配气口、201共用连通通道、202三通、21回热器、22附属回热器、3涡轮动力机构、30冷热缸进排共用配气口、31不凝气储罐、4叶轮压气机、5内燃燃烧室、6氧化剂入口、7工质导出口、8降温器、81附属降温器、9惯量体、10热缸进排共用配气口、100曲轴、13曲轴箱。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的泵阀内燃热气机，包括热气缸活塞机构1和冷气缸活塞机构2，所述热气缸活塞机构1和所述冷气缸活塞机构2经连通通道形成工质闭合回路，所述连通通道上设有涡轮动力机构3和叶轮压气机4，所述涡轮动力机构3对所述叶轮压气机4输出动力；本实施例中两者为共轴设置，还可以采用其它传动方式来实现所述涡轮动力机构3对所述叶轮压气机4输出动力；所述工质闭合回路上设有内燃燃烧室5、氧化剂入口6和工质导出口7。

所述内燃燃烧室5设在所述热气缸活塞机构1中；所述涡轮动力机构3设在所述热气缸活塞机构1的排气口与所述冷气缸活塞机构2的进气口之间的连通通道上；所述叶轮压气机4设在所述冷气缸活塞机构2的排气口与所述热气缸活塞机构1的进气口之间的连通通道上。所述氧化剂入口6设在所述叶轮压气机4出口与所述热气缸活塞机构1入口之间的通道上，所述工质导出口7设在所述涡轮动力机构3出口与所述冷气缸活塞机构2之间的通道上。

从所述氧化剂入口6通入的氧化剂，经所述热气缸活塞机构1入口送入所述内燃燃烧室5后与所述内燃燃烧室5喷油嘴的喷油，在所述内燃燃烧室5燃烧（可间歇燃烧或连续燃烧），产生的气体工质从所述热气缸活塞机构1排气口送至所述涡轮动力机构3使其产生动力，同时推动所述热气缸活塞机构1的活塞下移经连杆驱动曲轴100产生动力；所述涡轮动力机构3对共轴设置的所述叶轮压气机4输出动力，从所述涡轮动力机构3排出的工质，可经所述工质导出口7导出一部分，其余的工质依次进入所述冷气缸活塞机构2和所述叶轮压气机4进行压缩处理，压缩后的工质循环回流至所述内燃燃烧室5，进入下一次循环过程；其中所述冷气缸活塞机构2与所述热气缸活塞机构1经连杆连接在同一曲轴上，而两者的连杆轴颈在所述曲轴100上的相位差为90度。在实际应用中，所述冷气缸活塞机构2与所述热气缸活塞机构1可分别与不同曲轴连接，但两者中的活塞相位差为90度。

本实施例所述泵阀内燃热气机，在工质闭合回路尤其是两个活塞式机构上，不需设置气门和其它阀体结构，直接采用所述蜗轮动机构3和所述叶轮压气机4来代替阀的作用，实现热气机的工作循环。

实施例2

如图2所示的泵阀内燃热气机，其与实施例1的区别在于：在所述冷气缸活塞机构2上设有降温器8，对所述冷气缸活塞机构2中的工质进行降温处理，并将降温后相变为液态的工质从所述工质导出口7导出。

还将所述内燃燃烧室5设在所述氧化剂入口6与所述热气缸活塞机构1入口之间的通道上。

实施例3

如图3所示的泵阀内燃热气机，其与实施例2区别在于：所述降温器8设在所述涡轮动力机构3与所述工质导出口7之间的通道上，在所述冷气缸活塞机构2出口与所述叶轮压气机4的连通通道上设有附属降温器81，用来对压缩后工质进行降温处理；且在所述涡轮动力机构3的输出轴上连接有惯量体9，提高所述涡轮动力机构3的旋转惯量，增加了设备的稳定性。

实施例4

如图4所示的泵阀内燃热气机，其与实施例3区别在于：将所述热气缸活塞机构1的进气口和排气口为一体设置，为热缸进排共用配气口10，所述热缸进排共用配气口10经共用连通通道101和三通102与所述涡轮动力机构3入口连通。在所述共用连通通道101设有回热器21；所述冷气缸活塞机构2的进气口和排气口也一体化设置为冷缸进排共用配气口2。

实施例5

如图5所示的泵阀内燃热气机，其与实施例4区别在于：所述三通102与所述涡轮动力机构3入口的连通通道上设有附属回热器22；所述冷气缸活塞机构2的进气口和排气口不为一体化设置，所述降温器8设在所述冷气缸活塞机构2上，直接对所述气缸冷活塞机构2进行降温处理。

实施例6

如图6所示的泵阀内燃热气机，其与实施例4区别在于：所述工质闭合回路上不设置所述降温器8和所述附属降温器81，所述内燃燃烧室5设在所述热气缸活塞机构1中；所述降温器8设在所述冷气缸活塞机构2上，与所述冷气缸活塞2的所述冷缸进排共用配气口20直接连通的共用连通通道201上设有回热器21，所述共用连通通道201经三通202与所述叶轮压气机4入口连通。

实施例7

如图7所示的泵阀内燃热气机，其与实施例6区别在于：所述三通102与所述涡轮动力机构3入口的连通通道上设有附属回热器22；所述涡轮动力机构3出口与所述工质导出口7之间的连通通道上设有所述降温器8。

实施例8

如图8所示的泵阀内燃热气机，包括冷热气缸活塞机构12、涡轮动力机构3和叶轮压气机4，所述冷热气缸活塞机构12、所述涡轮动力机构3和所述叶轮压气机4经连通通道形成工质闭合回路；所述涡轮动力机构3出口和所述叶轮压气机4入口的连通通道上设有降温器8，所述工质导出口7设在所述降温器8出口与所述叶轮压气机4之间的连通通道上。从所述叶轮压气机4出口至所述冷热气缸活塞机构12进气口的连通通道上依次设有所述氧化剂入口6和所述内燃燃烧室5。

实施例9

如图9所示的泵阀内燃热气机，其与实施例8区别在于：所述冷热气缸活塞机构12的进气口和排气口一体化设置为冷热缸进排共用配气口30；所述冷热缸进排共用配气口30设有配气门，本实施例中所述配气门为内开气门；所述内燃燃烧室5设在所述冷热气缸活塞机构12中。

所述冷热气缸活塞机构12的曲轴箱13与不凝气回收泵11连通，所述不凝气回收泵11的出口可与所述工质闭合回路任意地方连通。

实施例10

如图10所示的泵阀内燃热气机，其与实施例9区别在于：所述叶轮压气机4出口与所述冷热气缸活塞机构12的所述冷热缸进排共用配气口30之间设有附属降温器81；所述配气门是外开气门。

实施例11

如图11所示的泵阀内燃热气机，其与实施例10区别在于：所述涡轮动力机构3和所述叶轮压气机4分别设有两个，为串联连通设置，构成了多级涡轮动力机构和多级叶轮压气机，提高热气机的效率。

在其它实施例中，所述涡轮动力机构3和/或所述叶轮压气机4均可设为多级结构，多级结构还可为多个所述涡轮动力机构3和/或所述叶轮压气机4的并联结构或串并联相结合结构。

实施例12

如图12所示的泵阀内燃热气机，其与实施例8区别在于：该泵阀内燃热气机还包括有不凝气储罐31，所述不凝气储罐31与所述工质闭合回路连通，将不凝气（如惰性气体、氮气等经过降温而不容易液化的气体，优选为氩气）导入所述工质闭合回路中。所述热气缸活塞机构1或/和所述冷气缸活塞机构2的曲轴箱13，与所述叶轮压气机4的入口连通。

还可将本实施例中的所述不凝气储罐31，以及所述曲轴箱13的连通结构应用于其它实施例中，以实现将泄漏至所述热气缸活塞机构1、所述冷气缸活塞机构2和所述冷热气缸活塞机构12中一个或多个的所述曲轴箱13中的不凝气导回至所述工质闭合回路中。

显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。

Claims (21)

1.一种泵阀内燃热气机，包括热气缸活塞机构(1)和冷气缸活塞机构(2)，所述热气缸活塞机构(1)和所述冷气缸活塞机构(2)经连通通道形成工质闭合回路，其特征在于：在所述连通通道上设置涡轮动力机构(3)和叶轮压气机(4)，所述涡轮动力机构(3)对所述叶轮压气机(4)输出动力；在所述工质闭合回路上设置内燃燃烧室(5)、氧化剂入口(6)和工质导出口(7)。

2.如权利要求1所述泵阀内燃热气机，其特征在于：所述涡轮动力机构(3)设在所述热气缸活塞机构(1)的排气口与所述冷气缸活塞机构(2)的进气口之间的连通通道上；所述叶轮压气机(4)设在所述冷气缸活塞机构(2)的排气口与所述热气缸活塞机构(1)的进气口之间的连通通道上；所述内燃燃烧室(5)设在所述叶轮压气机(4)的出口至所述热气缸活塞机构(1)的排气口之间的工质闭合回路上。

3.如权利要求1或2所述泵阀内燃热气机，其特征在于：在所述工质闭合回路上设置降温器(8)。

4.如权利要求3所述泵阀内燃热气机，其特征在于：所述降温器(8)设置在所述冷气缸活塞机构(2)上。

5.如权利要求1或2所述泵阀内燃热气机，其特征在于：所述冷气缸活塞机构(2)的进气口和排气口一体化设置为冷缸进排共用配气口(20)，所述冷缸进排共用配气口(20)经共用通道(201)和三通(202)与所述叶轮压气机(4)入口连通。

6.如权利要求3所述泵阀内燃热气机，其特征在于：所述工质导出口(7)设在所述降温器(8)下游的通道上。

7.如权利要求3所述泵阀内燃热气机，其特征在于：所述降温器(8)设在所述涡轮动力机构(3)与所述冷气缸活塞机构(2)的进气口之间的连通通道上。

8.如权利要求3所述泵阀内燃热气机，其特征在于：在所述冷气缸活塞机构(2)的排气口与所述叶轮压气机(4)入口的连通通道上设置附属降温器(81)。

9.如权利要求1或2所述泵阀内燃热气机，其特征在于：所述热气缸活塞机构(1)所连接的连杆轴颈在曲轴(100)上的相位和所述冷气缸活塞机构(2)所连接的连杆轴颈在所述曲轴(100)上的相位相差90度。

10.如权利要求1或2所述泵阀内燃热气机，其特征在于：所述热气缸活塞机构(1)的进气口和排气口一体化设置为热缸进排共用配气口(10)，所述热缸进排共用配气口(10)经共用连通通道(101)和三通(102)与所述涡轮动力机构(3)入口连通。

11.如权利要求10所述泵阀内燃热气机，其特征在于：在所述共用连通通道上设置回热器(21)。

12.如权利要求10所述泵阀内燃热气机，其特征在于：在所述三通(102)与所述涡轮动力机构(3)入口的连通通道上设置附属回热器(22)。

13.如权利要求10所述泵阀内燃热气机，其特征在于：所述冷气缸活塞机构(2)的进气口和排气口一体化设置为冷缸进排共用配气口(20)，所述冷缸进排共用配气口(20)经共用连通通道(201)和三通(202)与所述叶轮压气机(4)入口连通。

14.如权利要求10所述泵阀内燃热气机，其特征在于：在所述冷气缸活塞机构(2)上设置降温器(8)。

15.一种泵阀内燃热气机，包括冷热气缸活塞机构(12)，其特征在于：还包括有涡轮动力机构(3)和叶轮压气机(4)，所述冷热气缸活塞机构(12)、所述涡轮动力机构(3)和所述叶轮压气机(4)经连通通道形成工质闭合回路；在所述涡轮动力机构(3)出口和所述叶轮压气机(4)入口的连通通道上设置降温器(8)；内燃燃烧室(5)设在所述叶轮压气机(4)的出口与冷热气缸活塞机构(12)的进气口之间的工质闭合回路上或设置在冷热气缸活塞机构(12)内。

16.如权利要求15所述泵阀内燃热气机，其特征在于：所述内燃燃烧室(5)设在所述冷热气缸活塞机构(12)内，所述冷热气缸活塞机构(12)的进气口和排气口一体化设置为冷热缸进排共用配气口(30)；所述冷热缸进排共用配气口(30)设有配气门。

17.如权利要求1或15所述泵阀内燃热气机，其特征在于：所述涡轮动力机构(3)或所述叶轮压气机(4)设置为多级结构。

18.如权利要求1或15所述泵阀内燃热气机，其特征在于：所述泵阀内燃热气机还包括有不凝气储罐(31)，所述不凝气储罐(31)与所述工质闭合回路连通。

19.如权利要求18所述泵阀内燃热气机，其特征在于：所述热气缸活塞机构(1)、所述冷气缸活塞机构(2)和所述冷热气缸活塞机构(12)中一个或多个的曲轴箱(13)与所述叶轮压气机(4)的入口连通。

20.如权利要求18所述泵阀内燃热气机，其特征在于：所述热气缸活塞机构(1)、所述冷气缸活塞机构(2)和所述冷热气缸活塞机构(12)中一个或多个的曲轴箱(13)与不凝气回收泵(11)连通。

21.如权利要求1或15所述泵阀内燃热气机，其特征在于：所述涡轮动力机构(3)的输出轴上设有惯量体(9)。