CN103089485A - 三类门热气发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三类门热气发动机，包括气缸活塞机构，所述气缸活塞机构的气缸上设有进气口和往复流通口，所述进气口处设有对应的进气门，所述三类门热气发动机还包括附属气缸活塞机构，在所述附属气缸活塞机构的气缸上设附属往复流通口和乏气排出口，在所述乏气排出口处设对应的乏气门；所述往复流通口经往复连通通道与所述附属往复流通口连通；在所述气缸活塞机构的气缸内和/或在所述往复连通通道内和/或在与所述进气口连通的通道内设燃烧室。本发明公开的三类门热气发动机实现了对燃烧爆炸一次做功后的工质中的热量的进一步利用，从而使得发动机的热效率得以提高，有利于节约能源，且结构简单、实用性强，具有广阔的应用前景。

Description

三类门热气发动机

技术领域

本发明涉及热动力领域，尤其是一种热气发动机。

背景技术

传统内燃机一般是将高温尾气直接排放掉，导致热量损耗严重。然而传统的热气机中气体工质需要热量来加热，常规的加热方式为外燃式，燃料的使用效率又较低，因此针对现有内燃机和热气机的燃料使用效率，需要提供一种能对发动机排气中余热进行进一步利用的发动机。

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1：一种三类门热气发动机，包括气缸活塞机构，所述气缸活塞机构的气缸上设有进气口和往复流通口，所述进气口处设有对应的进气门，所述三类门热气发动机还包括附属气缸活塞机构，在所述附属气缸活塞机构的气缸上设附属往复流通口和乏气排出口，在所述乏气排出口处设对应的乏气门；所述往复流通口经往复连通通道与所述附属往复流通口连通；在所述气缸活塞机构的气缸内和/或在所述往复连通通道内和/或在与所述进气口连通的通道内设燃烧室。

方案2：在方案1的基础上，在所述燃烧室与所述附属往复流通口之间的所述往复连通通道上和/或在所述附属气缸活塞机构的气缸上设冷却器。

方案3：在方案1的基础上，在所述燃烧室与所述附属往复流通口之间的所述往复连通通道内设回热器。

方案4：在方案3的基础上，在所述回热器与所述附属往复流通口之间的所述往复连通通道上和/或在所述附属气缸活塞机构的气缸上设冷却器。

方案5：在方案1至4任一方案的基础上，在所述附属往复流通口处设对应的附属往复流通控制门。

方案6：在方案1至4任一方案的基础上，所述进气门和所述乏气门受使所述气缸活塞机构按照吸气冲程-压缩冲程-燃烧膨胀做功冲程-供气冲程-回充冲程-供气冲程的循环模式工作的控制机构控制。

方案7：在方案1至4任一方案的基础上，所述进气门和所述乏气门受使所述气缸活塞机构按照吸气冲程-压缩冲程-燃烧膨胀做功冲程-供气冲程-回充冲程-供气冲程-回充冲程-供气冲程的循环模式工作的控制机构控制。

方案8：在方案1至4任一方案的基础上，所述三类门热气发动机还包括涡轮动力机构和叶轮压气机，所述乏气排出口与所述涡轮动力机构的气体入口连通，所述进气口与所述叶轮压气机的气体出口连通。

方案9：在方案8的基础上，所述涡轮动力机构对所述叶轮压气机输出动力。

方案10：在方案1至4任一方案的基础上，在所述附属气缸活塞机构的气缸上设附属进气口和排气口，所述排气口与所述进气口连通；在所述附属进气口处设对应的附属进气门，在所述排气口处设对应的排气门。

方案11：在方案1至4任一方案的基础上，所述三类门热气发动机还包括涡轮动力机构和叶轮压气机，所述乏气排出口与所述涡轮动力机构的工质入口连通，所述涡轮动力机构的工质出口经冷却器与所述叶轮压气机的工质入口连通，所述叶轮压气机的工质出口与工质通道连通；所述涡轮动力机构的工质出口与所述叶轮压气机的工质入口之间的通道上设有工质导出口。

方案12：在方案1至4任一方案的基础上，所述气缸活塞机构和/或所述附属气缸活塞机构设为活塞液体机构，所述活塞液体机构包括气液缸和气液隔离结构，所述气液隔离结构设在所述气液缸内。

方案13：在方案12的基础上，所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和。

方案14：在方案1至4任一方案的基础上，所述三类门热气发动机还包括四类门气缸活塞机构，所述四类门气缸活塞机构的供气口与所述进气口连通，所述四类门气缸活塞机构的回充口与所述乏气排出口连通。

方案15：在方案1至4任一方案的基础上，所述燃烧室排出的物质的质量流量大于从工质通道外导入所述燃烧室的物质的质量流量。

方案16：在方案1至4任一方案的基础上，所述三类门热气发动机还包括低温冷源，所述低温冷源用于提供低温物质，所述低温物质用于冷却所述附属气缸活塞机构中和/或从工质通道中即将进入所述附属气缸活塞机构的工质。

方案17：在方案1至4任一方案的基础上，所述气缸活塞机构和/或所述附属气缸活塞机构设为对置活塞气缸机构。

方案18：在方案1至4任一方案的基础上，所述气缸活塞机构与所述附属气缸活塞机构为共轴设置，且为V型布置。

方案19：在方案1至4任一方案的基础上，所述气缸活塞机构与所述附属气缸活塞机构为α型或β型设置。

方案20：在方案1至4任一方案的基础上，多个所述气缸活塞机构的气缸上的所述往复流通口与一个所述附属气缸活塞机构的气缸上的所述附属往复流通口连通。

本发明的原理是：从所述气缸活塞机构的气缸上的所述进气口吸气，所述三类门热气发动机中的工质被所述气缸活塞机构和/或所述附属气缸活塞机构压缩，在所述燃烧室内燃烧膨胀的工质推动所述气缸活塞机构的活塞对外做功后，经所述往复连通通道导入所述附属气缸活塞机构的气缸并在其内被压缩，且在压缩前和/或压缩时释放一部分热量，然后再经所述往复连通通道导回所述气缸活塞机构的气缸内推动活塞做功，燃烧爆炸做功后的工质在所述气缸活塞机构和所述附属气缸活塞机构之间的所述往复连通通道内如此往复流通至少一次，最后从所述乏气排出口排出。在所述附属往复流通口设有附属往复流通控制门的结构中，所述乏气排出口排出工质时，可以关闭所述附属往复流通控制门使所述往复连通通道内保持一定的压力；在所述附属往复流通口不设附属往复流通控制门的结构中，所述乏气排出口排出工质过程中，所述往复连通通道内的压力逐渐下降到环境压力。

根据上述工作循环的要求，可以选择适合的控制机构对本发明中所述气缸活塞机构和所述附属气缸活塞机构中的活塞运动进行控制。

本发明中，所谓的工质通道是指所述三类门热气发动机正常工作时工质流能到达的空间。

本发明中，所谓的乏气排出口是指所述气缸活塞机构和所述附属气缸活塞机构中的工质经过在此两缸多次循环流动后排出两缸的排气口；以区别于现有内燃机的排气口。

本发明中，在所述燃烧室中发生燃烧化学反应的燃料可以是碳氢化合物、碳氢氧化合物或固体碳。固体碳具有燃烧后没有水生成和燃烧后产物中的二氧化碳浓度高、易液化等优点；固体碳可采用固体预先装配、粉末化后喷入或粉末化后再用液体或气体二氧化碳流化后喷入的方式输入所述燃烧室。

本发明中，所述气液缸是指可以容纳气体工质和/或液体，并能承受一定压力的容器，所述气液缸被所述气液隔离结构分隔成气体端和液体端，所述气液缸的气体端设有气体工质流通口，所述气体工质流通口用于与所述工质通道中的其他装置或机构连通；所述气液缸的液体端设有液体流通口，所述液体流通口用于与液压动力机构和/或液体工质回送系统连通。

本发明中，所述气液隔离结构是指可以在所述气液缸中做往复运动的结构体，如隔离板、隔离膜、活塞等，其作用是隔离所述气液缸中的气体工质和液体，优选地，所述气液隔离结构和所述气液缸密封滑动配合。在所述活塞液体机构工作过程中，根据所述气液隔离结构处于所述气液缸内的不同位置，所述气液缸内可能全部是气体工质，也可能全部是液体，或者气体工质和液体同时存在。

本发明中，所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构与传统的活塞连杆机构不同，传统的活塞连杆机构中的活塞可受连杆的推力或拉力停下，从而实现对活塞行程的限制，而在所述气液缸中，当所述气液缸内的气体工质做正功时，所述气液隔离结构受压力向下止点方向移动，将液体以高压形式排出所述气液缸并推动液压动力机构（例如液体马达）对外做功，当液体即将排尽时，改变液体马达工作模式或启动液体工质回送系统，使所述气液缸内的液体不再减少，此时液体会对所述气液缸内的所述气液隔离结构施加制动力，使其停止，以防止其撞击气液缸的液体端底部的壁；当不断向所述气液缸内输入液体时，所述气液隔离结构会不断向上止点方向移动，当到达上止点附近时，停止向所述气液缸内输入液体或者使所述气液缸内的液体减少（流出），尽管如此，所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构仍然会由于惯性向上止点方向运动，此时，如果所述气液缸内的气体工质的压力不够高，则会导致所述气液隔离结构继续向上运动而撞击气液缸顶部的壁，为了避免这种撞击，需要使气液缸内气体工质的压力足够高，使其对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和。

本发明中，在所述三类门热气发动机的工作过程中所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和是变化的，因此在工程设计中应保证在任何工作时刻都满足“所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和”的条件，例如通过调整所述工质通道中的工作压力、调整气液隔离结构的质量、调整液体密度或调整液体深度等方式来实现，其中，所述液体深度是指液体在做往复运动方向上的液体的深度。

所谓的“调整所述工质通道中的工作压力”是通过调整流入和/或流出所述工质通道的气体工质的体积流量来实现的，例如可以通过调整所述乏气排出口的开关间隔、每次开启的时间和/或所述乏气排出口的开口大小来实现。

本发明中，通过调整所述工质通道的工作压力（例如可以通过调整所述乏气排出口的开关时间来实现）以及所述气缸活塞机构的排量，以控制所述气缸活塞机构的质量排量，使所述燃烧室排出的物质的质量流量M₂大于从所述工质通道外导入所述燃烧室的物质的质量流量M₁，也就是说除了从所述工质通道外导入所述燃烧室的物质外，还有一部分物质是从所述工质通道中导入所述燃烧室的，由于所述燃烧室是设置在所述工质通道内的，所以也就是说从所述燃烧室排出的物质至少有一部分流回所述燃烧室，即实现了工质在所述气缸活塞机构和所述附属气缸活塞机构之间的往复流动。从所述工质通道外向所述燃烧室导入的物质可以是氧化剂、还原剂、压缩气体或高温燃气等。

本发明中，所述低温冷源是指能提供温度在0℃以下的低温物质的装置、机构或储罐，例如采用商业购买方式获得的储存有低温物质的储罐，所述低温物质可以是液氮、液氧、液氦或液化空气等。当本发明中氧化剂为液氧时，液氧可直接作为所述低温物质。所谓的液氧包括商业液氧或现场制备的液氧。

本发明中，所述低温冷源以直接与所述工质通道连通使所述低温物质与所述工质通道内的工质混合的方式，或者以经换热装置使所述低温物质与所述工质通道内的工质换热的方式，对所述附属气缸活塞构中或即将进入所述附属气缸活塞机构的工质进行冷却处理。热气机是一种工作循环接近卡诺循环的动力机构，其热效率的计算可以参考卡诺循环热效率计算公式：

从中可知，当冷源温度T2下降时，热效率η升高，而且向冷源排放的热量减少，如果冷源温度T2下降幅度很大，即冷源温度很低，则热效率η很高，向冷源排放的热量很小。由此推断，可用温度相当低的低温物质使冷源温度T₂大幅下降，从而大幅减少向冷源排放的热量，有效提高发动机效率。

温度越低的低温物质（例如液氧、液氮或液氦等），在制造过程中需要消耗越多的能量，但是就单位质量而言，对发动机热效率η提升的贡献越大，就好比将能量存储在温度很低的物质中，相当于一种新型电池的概念，所述低温物质可以使用垃圾电等成本很低的能源来制造，从而有效降低发动机的使用成本。

本发明中，所述低温冷源中的所述低温物质发挥冷却作用后，既可导入所述工质通道中，作为所述三类门热气发动机的循环工质，也可不导入所述工质通道中。

本发明中，所述四类门气缸活塞机构是指气缸上设有进气口、排气口、供气口和回充口，在所述进气口、所述排气口、所述供气口和所述回充口处依次对应设置进气门、排气门、供气门和回充门的气缸活塞机构。

本发明中，所谓的两个气缸活塞机构α型设置是指α型斯特林发动机中两个气缸活塞机构的设置方式，所谓的两个气缸活塞机构β型设置是指β型斯特林发动机中两个气缸活塞机构的设置方式。

本发明中，所述燃烧室设在所述气缸活塞机构的气缸内时，燃料在所述气缸活塞机构中燃烧可能是压燃方式也可能是点火燃烧方式，如果是采用点火燃烧的方式，还需要在所述气缸活塞机构上设点火装置，例如火花塞。

本发明中，所述工质通道内的工质需要经过压缩、加热升温升压、做功以及被冷却的过程，这就要求所述工质通道能承受一定压力，选择性地，所述工质通道的承压能力可设为大于2MPa、2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5MPa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、20.5MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa、25MPa、26MPa、27MPa、28MPa、29MPa、30MPa、31MPa、32MPa、33MPa、34MPa、35MPa、36MPa、37MPa、38MPa、39MPa或大于40MPa。

本发明中，所述工质通道中的工质压力与其承压能力相匹配，即所述工质通道的工质的最高压力达到其承压能力。

本发明中，所谓的共轴是指所述气缸活塞机构和所述附属气缸活塞机构均与同一曲轴的同一连杆轴颈连接，两缸的轴线设为V型；或是指两缸与同一曲轴不同相位的两个连杆轴颈相连接，两缸的轴线夹角小于90度。

本发明人提出如下所述P-T图和热力学第二定律的新的阐述方式：

压力和温度是工质的最基本、最重要的状态参数。然而，在至今为止的热力学研究中，没有将以压力P和温度T为坐标的P-T图用于对热力学过程及热力循环的研究中。在热力学诞生以来的两百多年里，本发明人第一次提出用P-T图研究热力学过程和热力循环的思想。在利用P-T图研究热力学过程和热力循环中，本发明人发现P-T图比常用的P-V图和T-S图都具有明显的优势，它能更本质地描述热力学过程和热力循环中工质状态的变化，使本发明人对热力学过程和热力循环有更深刻的理解。利用P-T图，本发明人总结了十条热力学第二定律的新的阐述方式，这些新的阐述方式与以往的开尔文和克劳修斯的热力学阐述方式虽然等价，但是更明确的揭示了对工质的加热过程和压缩过程的区别，也为高效热机的开发指明了方向。这一新方法和新定律，将大大促进热力学的发展和热机工业的进步。具体如下：

P-V图和T-S图在热力学研究中早已被广泛应用，然而鉴于P、T是工质最重要的状态参数，所以本发明人以压力P和温度T为坐标绘制了P-T图，并将Carnot Cycle和Otto Cycle标识在图14所示的P-T图中。很明显地，P-T图使热力学过程和热力循环中工质状态的变化更加显而易见，也使热力学过程和热力循环的本质更易理解。例如：图14所示的CarnotCycle的P-T图，可以使本发明人容易地得出这样的结论：Carnot Cycle的可逆绝热压缩过程的使命是以可逆绝热压缩的方式将工质的温度升高至其高温热源的温度，以实现与高温热源的温度保持一致的前提下自高温热源恒温吸热膨胀过程。此外，本发明人还可以明显地看出：当Carnot Cycle的高温热源的温度升高时，本发明人必须在Carnot Cycle的可逆绝热压缩过程中将工质更加深度地压缩，使其达到更高的温度，以达到升温后的高温热源的温度，以实现与升温后的高温热源的温度保持一致的前提下自升温后的高温热源恒温吸热膨胀过程，从而实现效率的提高。

根据绝热过程方程

（其中，C是常数，k是工质的绝热指数），本发明人将不同C值的绝热过程方程的曲线绘制在图15中。根据数学分析，并如图15所示，任何两条绝热过程曲线都不相交。这意味着：在同一条绝热过程曲线上的过程是绝热过程，而与任何绝热过程曲线相交的过程是非绝热过程，换句话说，任何连接两条不同绝热过程曲线的过程是非绝热过程（所谓的非绝热过程是指具有热量传递的过程，即放热的过程和吸热的过程）。在图16中，本发明人标注了两个状态点，即点A和点B。如果一个热力过程或一系列相互连接的热力过程从点A出发到达点B，则本发明人称之为连接点A和点B的过程，反之本发明人称之为连接点B和点A的过程。根据图16所示，本发明人可以得出这样的结论：如点B在点A所在的绝热过程曲线上，则连接点A和点B的过程是绝热过程；如点B在点A所在的绝热过程曲线的右侧，则连接点A和点B的过程是吸热过程；如点B在点A所在的绝热过程曲线的左侧，则连接点A和点B的过程是放热过程。由于连接点A和点B的过程可能是放热过程、绝热过程或吸热过程，所以本发明人以点B为参照，将点A分别定义为具有过剩温度、理想温度和不足温度。同理，连接点B和点A的过程可能是放热过程、绝热过程或吸热过程，所以本发明人以点A为参照，将点B分别定义为具有过剩温度、理想温度和不足温度。

通过这些分析和定义，本发明人得出如下十条关于热力学第二定律的新的阐述方式：

1、没有吸热过程的参与，不可能将放热过程恢复至其始点。

2、没有放热过程的参与，不可能将吸热过程恢复至其始点。

3、没有非绝热过程的参与，不可能将非绝热过程恢复至其始点。

4、仅用绝热过程，不可能将非绝热过程恢复至其始点。

5、用放热过程以外的热力过程使吸热过程的压力恢复到其始点的压力时，其温度一定高于其始点的温度。

6、用吸热过程以外的热力过程使放热过程的压力恢复到其始点的压力时，其温度一定低于其始点的温度。

7、吸热过程不可能不产生过剩温度。

8、放热过程不可能不产生不足温度。

9、任何在压缩过程中不放热的热机的效率不可能达到卡诺循环的效率。

10、对工质的加热过程和对工质的压缩过程的区别在于：加热过程一定产生过剩温度，而压缩过程则不然。

关于热力学第二定律的十条新的阐述方式，是等价的，也是可以经数学证明的，这十条阐述方式中的任何一条均可单独使用。本发明人建议：在热力学研究过程中，应广泛应用P-T图及上述关于热力学第二定律的新的阐述方式。P-T图以及关于热力学第二定律的新的阐述方式对热力学的进步和高效热机的开发具有重大意义。

热力学第二定律的新的阐述方式的英文表达：

1.It is impossible to return a heat rejection process to its initial state without a heatinjectionprocess involved.

2.It is impossible to return a heatinjection process to its initial state without a heat rejectionprocess involved.

3.It is impossible to return a non-adiabatic process to its initial state without anon-adiabatic process involved.

4.It is impossible to return a non-adiabatic process to its initial state only by adiabaticprocess.

5.If the final pressure of heatinjection process is returned to its initial pressure by processother than heat rejection process,the temperature of that state is higher than that of the initialstate.

6.If the fnal pressure of heat rejection process is returned to its initial pressure by processother than heatinjection process,the temperature ofthat state is lower than that ofthe initial state.

7.It is impossible to make heatinjection process not generate excess-temperature.

8.It is impossible to make heat rej ection process not generate insufficient-temperature.

9.It is impossible for any device that operates on a cycle to reach the efficiency indicatedby Carnot cycle without heat rejection in compression process.

10.The difference between heatinjection process and compression process which are appliedto working fluid of thermodynamic process or cycle is that heatinjection process must generateexcess-temperature,but compression process must not.

本发明中，应根据发动机、热气机及热动力领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统。

本发明的有益效果如下：本发明所述三类门热气发动机利用一次燃烧膨胀做功后的工质作为热气机循环的高温气体工质，在所述气缸活塞机构与所述附属气缸活塞机构的配合下进行热气机循环，实现了对一次做功后的工质中的热量的进一步利用，从而使得发动机的热效率得以提高，有利于节约能源，且结构简单、实用性强，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13所示的是本发明所述对置气缸活塞机构的结构示意图；

图14所示的是卡诺循环和奥拓循环的P-T图，其中，C₀，C₁和C₂是不同数值的常数，k是绝热指数，循环0-1-2-3-0是卡诺循环，循环0-1-4-5-0是高温热源温度升高后的卡诺循环，循环0-6-7-8-0是奥拓循环；

图15所示的是多条不同绝热过程曲线的P-T图，其中，C₁，C₂，C₃，C₄和C₅是不同数值的常数，k是绝热指数，A和B是状态点；

图16所示的是绝热过程曲线的P-T图，其中，C是常数，k是绝热指数，A和B是状态点；

图中：

1气缸活塞机构、11进气口、110进气门、12往复流通口、21叶轮压气机、22涡轮动力机构、25冷却器、3附属气缸活塞机构、31附属往复流通口、33附属进气口、34排气口、310附属往复流通控制门、32乏气排出口、320乏气门、4回热器、5燃烧室、23工质导出口、8低温冷源、96液压动力机构、97液体回送系统、99过程控制机构、100往复连通通道、111气液缸、112气液隔离机构、113液体流通口、200四类门气缸活塞机构、201压气进气口、202附属排气口、203供气口、204回充口。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的三类门热气发动机，包括气缸活塞机构1和附属气缸活塞机构3，所述气缸活塞机构1的气缸上设有进气口11和往复流通口12，所述进气口11处设有对应的进气门110，且所述气缸活塞机构1的气缸内设有燃烧室5；所述附属气缸活塞机构3的气缸上设有附属往复流通口31和乏气排出口32，所述乏气排出口32处设有对应的乏气门320；所述往复流通口12经往复连通通道100与所述附属往复流通口31连通。

所述气缸活塞机构1的气缸上的所述进气门110和所述附属气缸活塞机构3的气缸上的所述乏气门320，均受本发明发动机的控制机构控制，使得所述气缸活塞机构1按照吸气冲程-压缩冲程-燃烧膨胀做功冲程-供气冲程-回充冲程-供气冲程的六冲程循环模式工作。

所述压缩冲程中，所述气缸活塞机构1和所述附属气缸活塞机构3中的活塞同时上行压缩工质。选择性地，也可以仅由所述气缸活塞机构1中的活塞上行压缩工质。根据上述工作循环的要求，选择适合的控制机构对本发明中所述气缸活塞机构1和所述附属气缸活塞机构3中的活塞运动进行控制，使所述附属气缸活塞机构3按照与所述气缸活塞机构1相对应的循环模式工作。

所述燃烧室5中发生燃烧化学反应的燃料可以是碳氢化合物、碳氢氧化合物或固体碳，其中，固体碳可选择性地采用固体预先装配、粉末化后喷入或粉末化后再用液体或气体二氧化碳流化后喷入的方式输入所述燃烧室5。

实施例2

如图2所示的三类门热气发动机，在实施例1的基础上：所述附属气缸活塞机构3的气缸上设有冷却器25。

所述气缸活塞机构1的气缸上的所述进气门110和所述附属气缸活塞机构3的气缸上的所述乏气门320，均受本发明发动机的控制机构控制，使得所述气缸活塞机构1按照吸气冲程-压缩冲程-燃烧膨胀做功冲程-供气冲程-回充冲程-供气冲程-回充冲程-供气冲程的八冲程循环模式工作。

选择性地，所述冷却器25也可以设在所述往复连通通道100上。

实施例3

如图3所示的三类门热气发动机，其与实施例2的区别在于：所述附属往复流通口31处设有对应的附属往复流通控制门310，所述往复连通通道100上设有回热器4。所述冷却器25改为设在所述回热器4与所述附属进气口31之间的所述往复连通通道100上；所述燃烧室5设在所述回热器4与所述往复流通口12之间的所述往复连通通道100内。

打开所述进气门110，所述气缸活塞机构1通过所述进气口11吸气，关闭所述进气门110和所述附属往复流通控制门310，所述气缸活塞机构1中的工质在所述气缸活塞机构1和所述往复连通通道100中被压缩，被压缩后的工质在所述燃烧室5中燃烧膨胀并推动所述气缸活塞机构1的活塞对外做功，打开所述附属往复流通控制门310，所述气缸活塞机构1的活塞上行，将工质导入所述附属气缸活塞机构3，工质在所述气缸活塞机构1和所述附属气缸活塞机构3之间的所述往复连通通道100内往复流通至少两次次，最后从所述附属气缸活塞机构3的气缸上的所述乏气排出口32排出。

所述乏气排出口32排出工质时，可以关闭所述附属往复流通控制门310使所述往复连通通道100内保持一定的压力。可选择地，所述乏气排出口32排出工质时，也可打开所述附属往复流通控制门310使所述往复连通通道100内的压力逐渐下降到环境压力。

可选择地，为了满足不同的要求，可以取消设置在所述附属气缸活塞机构3上的冷却器25。

实施例4

如图4所示的三类门热气发动机，其与实施例2的区别在于：所述往复流通口12与所述附属往复流通口31之间的所述往复连通通道100上设有回热器4，在所述附属气缸活塞机构3的气缸上和所述回热器4与所述附属往复流通口31之间的所述往复连通通道100上均设有冷却器25；在所述气缸活塞机构1的气缸内和所述回热器4与所述往复流通口12之间的所述往复连通通道100内均设有燃烧室5。

实施例5

如图5所示的三类门热气发动机，其与实施例2的区别在于：该发动机还包括有叶轮压气机21和涡轮动力机构22，所述乏气排出口32与所述涡轮动力机构22的工质入口连通，所述进气口11与所述叶轮压气机21的工质出口连通。所述往复流通口12与所述附属往复流通口31之间的所述往复连通通道100上设有回热器4，所述燃烧室5设在与所述进气口11连通且靠近所述进气口11的通道内，所述涡轮动力机构22对所述叶轮压气机21输出动力。

所述气缸活塞机构1的气缸上的所述进气门110和所述附属气缸活塞机构3的气缸上的所述乏气门320，均受本发明发动机的控制机构控制，经所述叶轮压气机21压缩后的工质进入所述燃烧室5中参与燃烧生成高温高压工质，所述高温高压工质通过所述进气口11进入所述气缸活塞机构1的气缸中推动活塞对外做功。工质在所述往复连通通道100内往复流通至少一次后，打开所述乏气门320排出乏气。排出的乏气再推动所述涡轮动力机构22做功。

选择性地，所述涡轮动力机构22也可不对所述叶轮压气机21输出动力而对外输出动力，或既对所述叶轮压气机21输出动力也对外输出动力。

实施例6

如图6所示的三类门热气发动机，其与实施例4的区别在于：取消了设在所述往复连通通道100内的燃烧室5和设在所述附属气缸活塞机构3上的冷却器25。所述气缸活塞机构1和所述附属气缸活塞机构3为共轴设置，且为V型布置，具体地，所述气缸活塞机构1的活塞和所述附属气缸活塞机构3的活塞分别经连杆与同一曲轴的同一连杆轴颈连接；所述气缸活塞机构1与所述附属气缸活塞机构3为α型设置。

选择性地，所述气缸活塞机构1的活塞和所述附属气缸活塞机构3的活塞也可分别经连杆与同一曲轴不同相位的两个连杆轴颈连接，两缸的轴线夹角小于90度，以此实现共轴V型设置。

在实际使用中所述气缸活塞机构1与所述附属气缸活塞机构3还可以选择性地采用β型设置。

实施例7

如图7所示的三类门热气发动机，其与实施例2的区别在于：所述附属往复流通口31处设有对应的附属往复流通控制门310；此外，所述附属气缸活塞机构3的气缸上设有附属进气口33和排气口34，所述排气口34与所述进气口11连通；所述附属进气口33处设有对应的附属进气门，所述排气口34处设有对应的排气门。所述往复流通口12与所述附属往复流通口31之间的所述往复连通通道100上设有回热器4。

进入所述气缸活塞机构1的气缸内的工质先在所述附属气缸活塞机构3的气缸内被压缩，被压缩后的工质经所述排气口34和所述进气口11送至所述气缸活塞机构1的气缸内，关闭所述进气门110，压缩工质在所述燃烧室5内燃烧膨胀推动所述气缸活塞机构1的活塞对外做功，做功后的工质在所述气缸活塞机构1和所述附属气缸活塞机构3之间的所述往复连通通道100内往复流通至少一次，在此期间，只保持所述附属往复流通控制门310开启；然后打开所述乏气门32将乏气排出，在乏气排出的过程中，所述附属往复流通控制门310可以打开也可以关闭；乏气排出后关闭所述附属气缸活塞机构3上的所述乏气门320、所述附属往复流通控制门310和所述排气门，打开所述附属进气口33处对应设置的所述附属进气门，气体工质被吸入，进入下一个循环，周而复始。

实施例8

如图8所示的三类门热气发动机，其与实施例3的区别在于：所述气缸活塞机构1设有两个，两个所述气缸活塞机构1的气缸内均设有燃烧室5，两个所述气缸活塞机构1的气缸上的所述往复流通口12各自经所述回热器4与所述附属气缸活塞机构3的气缸上的所述附属往复流通口31连通。所述冷却器25设置在所述附属气缸活塞机构3上。

选择性地，可以根据需要类似地增加所述气缸活塞机构1的数量，如三个所述气缸活塞机构1的气缸上的所述往复流通口12分别经所述回热器4与一个所述附属气缸活塞机构3的所述附属往复流通口31连通；所述燃烧室5可以设在所述气缸活塞机构1的气缸内，或设在所述往复流通口12与所述回热器4之间的所述往复连通通道100内，或在以上两处同时设置。

实施例9

如图9所示的三类门热气发动机，其与实施例2的区别在于：所述三类门热气发动机还包括涡轮动力机构22和叶轮压气机21，所述乏气排出口32与所述涡轮动力机构22的工质入口连通，所述涡轮动力机构22的工质出口经冷却器3与所述叶轮压气机21的工质入口连通，所述叶轮压气机21的工质出口经控制阀与所述工质通道连通，具体是与所述往复流通口12和所述附属往复流通口31之间的所述往复连通通道100连通；所述涡轮动力机构22和所述叶轮压气机21之间的所述冷却器25与所述叶轮压气机22的工质入口之间的通道上设有工质导出口23。

选择性地，所述工质导出口23也可设在所述涡轮动力机构22的工质出口与所述冷却器25之间的通道上。所述叶轮压气机21的工质出口与设在所述工质通道上的连通口连通，该连通口不与所述乏气排出口32重合，可设在所述工质通道上的不同位置，如所述气缸活塞机构1的气缸上、所述气缸活塞机构3的气缸上、所述往复连通通道100上等。

实施例10

如图10所示的三类门热气发动机，其与实施例3的区别在于：所述气缸活塞机构1设为活塞液体机构，所述活塞液体机构包括气液缸111和气液隔离机构112，所述气液隔离结构112设在所述气液缸111内，所述气液缸111的液体端的液体流通口113与液压动力机构96的工质入口连通，所述液压动力机构96的工质出口与液体回送系统97的工质入口连通，所述液体回送系统97的工质出口与所述气液缸111的液体端的另一所述液体流通口113连通；所述液压动力机构96和所述液体回送系统97受过程控制机构99控制。

所述气液缸111内的气体工质对所述气液隔离结构112的压力大于所述气液缸111内的液体和所述气液隔离结构112做往复运动时的惯性力之和。

选择性地，所述气液隔离结构112可以设为板状结构、膜结构或活塞状结构等。优选地，所述气液隔离结构112和所述气液缸111密封滑动配合。两个所述液体流通口113可一体化设置。

本实施例中，所述活塞液体机构可以有效地控制所述气液隔离结构112和液体（相当于传统气缸活塞机构中的活塞）的运动，便于实现本发明所要求的工作循环。

实施例11

如图11所示的三类门热气发动机，其与实施例6的区别在于：所述三类门热气发动机还包括低温冷源8，所述低温冷源8是存储有液氮的储罐，储罐中的液氮用于冷却所述附属气缸活塞机构3中的工质。

本实施例中，所述低温冷源8直接与所述附属气缸活塞机构3的气缸连通，在所述低温冷源8与所述附属气缸活塞机构3的气缸之间的连通通道上设有控制阀。

可选择地，所述低温冷源8还可以经换热装置使所述低温物质与所述工质通道内的工质换热；所述低温冷源8中的所述低温物质发挥冷却作用后，既可导入所述工质通道中，作为三类门热气发动机的循环工质，也可不导入所述工质通道中。

实施例12

如图12所示的三类门热气发动机，其与实施例4的区别在于：所述三类门热气发动机还包括四类门气缸活塞机构200，所述四类门气缸活塞机构200的气缸上的进气口设为压气进气口201，所述四类门气缸活塞机构200的气缸上的排气口设为附属排气口202，所述四类门气缸活塞机构200的供气口203与所述进气口11连通，所述四类门气缸活塞机构200的回充口204与所述乏气排出口32连通。在所述压气进气口201、所述附属排气口202、所述供气口203和所述回充口204处依次对应设置进气门、排气门、供气门和回充门。

本实施例中，进入所述气缸活塞机构1的气缸内的工质先在所述四类门气缸活塞机构200内被压缩；从所述乏气排出口32排出的乏气再进入所述四类门气缸活塞机构200内做功，然后再经所述附属排气口202排出。

上述实施例中的所述气缸活塞机构1或/和所述附属气缸活塞机构3均可采用如图13所示的对置活塞气缸机构来代替。

可选择地，以上实施例中的所述附属气缸活塞机构3也可以设为所述活塞液体机构。

以上实施例中，所述燃烧室5排出的物质的质量流量大于从所述工质通道外导入所述燃烧室5的物质的质量流量。

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 (10)

1.一种三类门热气发动机，包括气缸活塞机构（1），所述气缸活塞机构（1）的气缸上设有进气口（11）和往复流通口（12），所述进气口（11）处设有对应的进气门（110），其特征在于：所述三类门热气发动机还包括附属气缸活塞机构（3），在所述附属气缸活塞机构（3）的气缸上设附属往复流通口（31）和乏气排出口（32），在所述乏气排出口（32）处设对应的乏气门（320）；所述往复流通口（12）经往复连通通道（100）与所述附属往复流通口（31）连通；在所述气缸活塞机构（1）的气缸内和/或在所述往复连通通道（100）内和/或在与所述进气口（11）连通的通道内设燃烧室（5）。

2.如权利要求1所述三类门热气发动机，其特征在于：在所述燃烧室（5）与所述附属往复流通口（31）之间的所述往复连通通道（100）上和/或在所述附属气缸活塞机构（3）的气缸上设冷却器（25）。

3.如权利要求1所述三类门热气发动机，其特征在于：在所述燃烧室（5）与所述附属往复流通口（31）之间的所述往复连通通道（100）内设回热器（4）。

4.如权利要求3所述三类门热气发动机，其特征在于：在所述回热器（4）与所述附属往复流通口（31）之间的所述往复连通通道（100）上和/或在所述附属气缸活塞机构（3）的气缸上设冷却器（25）。

5.如权利要求1至4中任一项所述三类门热气发动机，其特征在于：在所述附属往复流通口（31）处设对应的附属往复流通控制门（310）。

6.如权利要求1至4中任一项所述三类门热气发动机，其特征在于：所述进气门（110）和所述乏气门（320）受使所述气缸活塞机构（1）按照吸气冲程-压缩冲程-燃烧膨胀做功冲程-供气冲程-回充冲程-供气冲程的循环模式工作的控制机构控制。

7.如权利要求1至4中任一项所述三类门热气发动机，其特征在于：所述进气门（110）和所述乏气门（320）受使所述气缸活塞机构（1）按照吸气冲程-压缩冲程-燃烧膨胀做功冲程-供气冲程-回充冲程-供气冲程-回充冲程-供气冲程的循环模式工作的控制机构控制。

8.如权利要求1至4中任一项所述三类门热气发动机，其特征在于：所述三类门热气发动机还包括涡轮动力机构（22）和叶轮压气机（21），所述乏气排出口（32）与所述涡轮动力机构（22）的气体入口连通，所述进气口（11）与所述叶轮压气机（21）的气体出口连通。

9.如权利要求8所述三类门热气发动机，其特征在于：所述涡轮动力机构（22）对所述叶轮压气机（21）输出动力。

10.如权利要求1至4中任一项所述三类门热气发动机，其特征在于：在所述附属气缸活塞机构（3）的气缸上设附属进气口（33）和排气口（34），所述排气口（34）与所述进气口（11）连通；在所述附属进气口（33）处设对应的附属进气门，在所述排气口（34）处设对应的排气门。

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