CN103590918A

CN103590918A - 换气熵循环发动机

Info

Publication number: CN103590918A
Application number: CN201310482738.1A
Authority: CN
Inventors: 靳北彪
Original assignee: Molecule Power Beijing Technology Co Ltd
Current assignee: Wujiang science and Technology Pioneer Park Management Service Co., Ltd
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-10-15
Also published as: CN103590918B

Abstract

本发明公开了一种换气熵循环发动机，包括气体压缩机构、气体做功机构和连通通道，气体压缩机构经连通通道与气体做功机构连通，在连通通道上设回热器，在回热器和气体压缩机构之间的连通通道上或在气体压缩机构上设氧化剂入口，在回热器和气体压缩机构之间的连通通道上或在气体压缩机构上设工质导出口，氧化剂入口与附属气体压缩机构连通，在氧化剂入口与附属气体压缩机构之间的连通通道上设氧化剂控制阀，工质导出口与附属气体做功机构连通，在工质导出口与附属气体做功机构之间的连通通道上设工质导出控制阀。本发明通过利用内燃加热方式提高效率和功率密度，从而可以有效节约能源并大幅度减少其体积、重量和制造成本。

Description

换气熵循环发动机

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种换气熵循环发动机。

背景技术

近年来，传统发动机的高能耗、高污染排放问题日显突出，所以，热气机得到了广泛重视，然而热气机都是以外燃加热方式对工质进行加热的。众所周知，外燃加热过程很难得到温度较高的工质，因此，造成大量化学损失。不仅如此，由于外燃加热的速率有限，对材料要求高，负荷响应差，所以严重制约了热气机的单机功率和整机功率密度，最终使热气机的用途严重受限。而且，在热气机的工作过程中，不仅需要对做功机构进行加热，还需要对压缩机构进行降温，以实现温度差，从而实现热气机对外做功，但是，这样会使发动机浪费很多可以利用的能量。因此，需要发明一种新型发动机。

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1.一种换气熵循环发动机，包括气体压缩机构、气体做功机构和连通通道，所述气体压缩机构经所述连通通道与所述气体做功机构连通，在所述连通通道上设回热器，在所述回热器与所述气体压缩机构之间的所述连通通道上或在所述气体压缩机构上设氧化剂入口，在所述回热器与所述气体压缩机构之间的所述连通通道上或在所述气体压缩机构上设工质导出口，所述氧化剂入口与附属气体压缩机构连通，在所述氧化剂入口与所述附属气体压缩机构之间的连通通道上设氧化剂控制阀，所述工质导出口与附属气体做功机构连通，在所述工质导出口与所述附属气体做功机构之间的连通通道上设工质导出控制阀。

方案2.在方案1的基础上，进一步可选择的，两个以上所述气体压缩机构并联设置。

方案3.在方案1或方案2的基础上，进一步可选择的，两个以上所述气体做功机构并联设置。

方案4.一种换气熵循环发动机，包括气缸活塞机构，所述气缸活塞机构的气缸与附属气体做功机构连通，在所述气缸活塞机构的气缸与所述附属气体做功机构之间的连通通道上设工质导出控制阀，在所述工质导出控制阀与所述气缸活塞机构的气缸之间的连通通道上设氧化剂入口，所述氧化剂入口与附属气体压缩机构连通，在所述氧化剂入口与所述附属气体压缩机构之间的连通通道上设氧化剂控制阀，在所述气缸活塞机构的气缸与所述氧化剂入口之间的连通通道上设回热器。

方案5.在方案4的基础上，进一步可选择的，两个以上所述气缸活塞机构并联设置。

方案6.在上述所有方案中，进一步可选择的，所述附属气体做功机构对所述附属气体压缩机构输出动力。

方案7.在上述所有方案中，进一步可选择的，所述附属气体压缩机构设为多级附属压缩机构。

方案8.在上述所有方案中，进一步可选择的，所述附属气体做功机构设为多级附属做功机构。

方案9.在上述所有方案中，进一步可选择的，所述气体压缩机构设为活塞式气体压缩机构或设为叶轮式气体压缩机构或设为罗茨式气体压缩机构或设为螺杆式气体压缩机构。

方案10.在上述所有方案中，进一步可选择的，所述气体做功机构设为活塞式气体做功机构或设为叶轮式气体做功机构或设为罗茨式气体做功机构或设为螺杆式气体做功机构。

方案11.在上述所有方案中，进一步可选择的，所述附属气体压缩机构设为活塞式附属气体压缩机构或设为叶轮式附属气体压缩机构或设为罗茨式附属气体压缩机构或设为螺杆式附属气体压缩机构。

方案12.在上述所有方案中，进一步可选择的，所述附属气体做功机构设为活塞式附属气体做功机构或设为叶轮式附属气体做功机构或设为罗茨式附属气体做功机构或设为螺杆式附属气体做功机构。

本发明中，所述氧化剂是指液态或高压气态的能与燃料发生燃烧化学反应的物质，例如液氧、高压氧气、高压压缩空气、液化空气、双氧水、双氧水溶液等。当所述氧化剂是液态时，需通过高压液体泵供送；当所述氧化剂是高压气态时，可直接以高压形式送入。

本发明中，所述燃料是指能与氧化剂发生燃烧化学反应的物质，例如碳氢化合物、碳氢氧化合物等；其中所述碳氢化合物包括汽油、柴油、重油、煤油、航空煤油等烃类；所述碳氢氧化合物包括甲醇、乙醇、甲醚、乙醚等。

本发明中，所谓的工质导出口是指从所述换气熵循环发动机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燃料发生燃烧化学反应所产生的多余的工质，以维持所述换气熵循环发动机工质系统的平衡。所述工质导出口可以是气体导出口，也可以是液体导出口，还可以是气液混合物导出口。

本发明中，所谓的气体压缩机构和所谓的附属气体压缩机构都是气体压缩机构，名称不同是为了区分而加以定义的。

本发明中，所谓的“气体做功机构”是指一切可以利用气体工质膨胀和/或流动产生动力的机构，例如活塞式气体做功机构、涡轮、罗茨马达等。

本发明中，所谓的气体做功机构和所谓的附属气体做功机构都是气体做功机构，名称不同是为了区分而加以定义的。

本发明中，所述氧化剂控制阀和所述工质导出控制阀都是控制阀，名称不同是为了区分而加以定义的。

本发明中，所谓A和B连通是指A与B之间工质发生流动，包括工质从A流到B或者从B流到A，或者工质先从A流到B再从B流到A。所谓的“连通”包括直接连通、间接连通和经操作单元连通，所述操作单元包括阀、控制机构、供送机构（泵）和热交换器等。

本发明中，根据热能与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:

本发明通过利用内燃加热方式代替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，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效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。

本发明克服了传统斯特林发动机功率小、整机功率密度低和负荷响应差的缺陷，是一种效率高、密度大、可大功率化、污染排放少或零排放、震动噪声小、负荷响应好的新型发动机。

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，

图中：

1连通通道、2回热器、3氧化剂入口、4工质导出口、5活塞式气体压缩机构、51叶轮式附属气体压缩机构、6活塞式气体做功机构、61叶轮式附属气体做功机构、31氧化剂控制阀、41工质导出控制阀、7气缸活塞机构、50多级附属压缩机构、60多级附属做功机构。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的换气熵循环发动机，包括气体压缩机构、气体做功机构和连通通道1，所述气体压缩机构设为活塞式气体压缩机构5，所述气体做功机构设为活塞式气体做功机构6，所述活塞式气体压缩机构5经所述连通通道1与所述活塞式气体做功机构6连通，在所述连通通道1上设回热器2，在所述回热器2与所述气体压缩机构之间的所述连通通道1上设氧化剂入口3和工质导出口4，所述氧化剂入口3与附属气体压缩机构连通，所述附属气体压缩机构设为叶轮式附属气体压缩机构51，在所述氧化剂入口3与所述叶轮式附属气体压缩机构51之间的连通通道上设氧化剂控制阀31，所述工质导出口4与附属气体做功机构连通，所述附属气体做功机构设为叶轮式附属气体做功机构61，在所述工质导出口4与所述叶轮式附属气体做功机构61之间的连通通道上设工质导出控制阀41。

具体实施时，本实施例以及下述所有实施方式中均可选择性的在所述活塞式气体做功机构6的气缸上增设燃料入口，所述燃料入口的设置，是为了向所述发动机中通入燃料，以使氧化剂和燃料发生燃烧化学反应，所以，所述燃料入口的位置还可以选择性的改设在所述发动机中的其他位置。

本实施例的工作过程为：所述氧化剂控制阀31处于打开状态，氧化剂经所述氧化剂入口3进入所述连通通道1中，燃料经燃料入口进入所述活塞式气体做功机构6内，所述氧化剂和所述燃料混合后，在所述活塞式气体做功机构6的气缸内发生燃烧化学反应，产生的高温高压工质推动所述活塞式气体做功机构6的活塞下行对外输出动力；当所述活塞式气体做功机构6的活塞上行时，所述高温高压工质经所述回热器2，一部分进入所述活塞式气体压缩机构5中，另外一部分经所述工质导出口4进入所述叶轮式附属气体做功机构61中并推动其对外输出动力；所述连通通道1内充满了做功完了后的高温低氧的废气，当所述氧化剂进入所述发动机中时，由于所述氧化剂温度较低，可与所述活塞式气体做功机构6形成温差，从而，可以提高所述换气熵循环发动机的工作效率；且由于从所述活塞式气体做功机构6中排出的高温高压气体在经过所述回热器2时，可以将部分热量留在所述回热器2中，当温度较低的所述氧化剂进入所述发动机时，可将留在所述回热器2中的热量带入所述活塞式气体做功机构6中，进一步提高了所述发动机的效率。

作为可以变换的实施方式，本实施例中以及所有在本实施例基础上变换得到的实施方式中，所述氧化剂入口3和所述工质导出口4均可改设在所述气体压缩机构上；或者改为将所述氧化剂入口3和所述工质导出口4中的一个设在所述气体压缩机构上,另一个设在所述回热器2与所述气体压缩机构之间的所述连通通道1上。

作为可以变换的实施方式，进一步可选择的，所述活塞式气体压缩机构5和所述活塞式气体做功机构6共轴设置。

具体实施时，本发明中所有包括所述氧化剂控制阀31和所述工质导出控制阀41的实施方式中，所述氧化剂控制阀31和所述工质导出控制阀41均可选择性地设为正时控制阀。

实施例2

如图2所示的换气熵循环发动机，包括气缸活塞机构7，所述气缸活塞机构7的气缸与附属气体做功机构连通，所述附属气体做功机构设为叶轮式附属气体做功机构61，在所述气缸活塞机构7的气缸与所述附属气体做功机构之间的连通通道上设工质导出控制阀41，在所述工质导出控制阀41与所述气缸活塞机构7的气缸之间的连通通道上设氧化剂入口3，所述氧化剂入口3与附属气体压缩机构连通，所述附属气体压缩机构设为叶轮式附属气体压缩机构51，在所述氧化剂入口3与所述附属气体压缩机构51之间的连通通道上设氧化剂控制阀31，在所述气缸活塞机构7的气缸与所述氧化剂入口3之间的连通通道上设回热器2。

实施例3

如图3所示的换气熵循环发动机，其与实施例2的区别在于：所述叶轮式附属气体做功机构61对所述叶轮式附属气体压缩机构51输出动力。

具体实施时，本发明所有实施方式中，均可参照本实施例使所述附属气体做功机构对所述附属气体压缩机构输出动力。

实施例4

如图4所示的换气熵循环发动机，其与实施例2的区别在于：所述附属气体压缩机构设为多级附属压缩机构50，所述附属气体做功机构设为多级附属做功机构60。

通过设置所述多级附属压缩机构50，可使进入所述换气熵循环发动机的氧化剂进一步压缩和冷却；通过设置所述多级附属做功机构60可使高温高压气体充分做功后再排出所述发动机，从而进一步提高所述发动机的效率。

作为可以变换的实施方式，所述附属气体压缩机构和所述附属气体做功机构可以择一设为多级机构。

作为可变换的实施方式，本发明中所有实施方式中，均可将所述附属气体压缩机构均改设为多级附属压缩机构50，所述附属气体做功机构改设为多级附属做功机构60，或者，将所述附属气体压缩机构和所述附属气体做功机构择一设为多级机构，并且所述附属气体压缩机构和所述附属气体做功机构的级数可以不同。

实施例5

如图5所示的换气熵循环发动机，其与实施例1的区别在于：两个所述活塞式气体压缩机构5并联设置，两个所述活塞式气体做功机构6并联设置。

作为可以变换的实施方式，三个以上所述活塞式气体压缩机构5并联设置，三个以上所述活塞式气体做功机构6并联设置，所述活塞式气体压缩机构5和所述活塞式气体做功机构6的个数可以设为不同。

作为可变换的实施方式，本发明中所有包括所述气体压缩机构和所述气体做功机构的实施方式中，所述气体压缩机构均可参照本实施例改设为两个或两个以上所述气体压缩机构并联，所述气体做功机构均可参照本实施例改设为两个或者两个以上所述气体做功机构并联。

实施例6

如图6所示的换气熵循环发动机，其与实施例2的区别在于：两个所述气缸活塞机构7并联设置。

作为可以变换的实施方式，具体实施时可选择的，改设为三个以上所述气缸活塞机构7并联。

作为可以变换的实施方式，本发明中所有包括所述气缸活塞机构7的实施方式中，所述气缸活塞机构7均可选择的参照本实施例，改设为两个或两个以上所述气缸活塞机构7并联。

作为可以变换的实施方式，本发明的上述所有实施方式中还可选择性地将所述气体压缩机构改设为叶轮式气体压缩机构或改设为罗茨式气体压缩机构或改设为螺杆式气体压缩机构；将所述气体做功机构改设为叶轮式气体做功机构或改设为罗茨式气体做功机构或改设为螺杆式气体做功机构；将所述附属气体压缩机构改设为活塞式附属气体压缩机构或改设为罗茨式附属气体压缩机构或改设为螺杆式附属气体压缩机构；将所述附属气体做功机构改设为活塞式附属气体做功机构或改设为罗茨式附属气体做功机构或改设为螺杆式附属气体做功机构。

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

1.一种换气熵循环发动机，包括气体压缩机构、气体做功机构和连通通道（1），所述气体压缩机构经所述连通通道（1）与所述气体做功机构连通，其特征在于：在所述连通通道（1）上设回热器（2），在所述回热器（2）和所述气体压缩机构之间的所述连通通道（1）上或在所述气体压缩机构上设氧化剂入口（3），在所述回热器（2）和所述气体压缩机构之间的所述连通通道（1）上或在所述气体压缩机构上设工质导出口（4），所述氧化剂入口（3）与附属气体压缩机构连通，在所述氧化剂入口（3）与所述附属气体压缩机构之间的连通通道上设氧化剂控制阀（31），所述工质导出口（4）与附属气体做功机构连通，在所述工质导出口（4）与所述附属气体做功机构之间的连通通道上设工质导出控制阀（41）。

2.如权利要求1所述换气熵循环发动机，其特征在于：两个以上所述气体压缩机构并联设置。

3.如权利要求1所述换气熵循环发动机，其特征在于：两个以上所述气体做功机构并联设置。

4.一种换气熵循环发动机，包括气缸活塞机构（7），其特征在于：所述气缸活塞机构（7）的气缸与附属气体做功机构连通，在所述气缸活塞机构（7）的气缸与所述附属气体做功机构之间的连通通道上设工质导出控制阀（41），在所述工质导出控制阀（41）与所述气缸活塞机构（7）的气缸之间的连通通道上设氧化剂入口（3），所述氧化剂入口（3）与附属气体压缩机构连通，在所述氧化剂入口（3）与所述附属气体压缩机构之间的连通通道上设氧化剂控制阀（31），在所述气缸活塞机构（7）的气缸与所述氧化剂入口（3）之间的连通通道上设回热器（2）。

5.如权利要求4所述换气熵循环发动机，其特征在于：两个以上所述气缸活塞机构（7）并联设置。

6.如权利要求1至5中任一项所述换气熵循环发动机，其特征在于：所述附属气体做功机构对所述附属气体压缩机构输出动力。

7.如权利要求1至5中任一项所述换气熵循环发动机，其特征在于：所述附属气体压缩机构设为多级附属压缩机构（50）。

8.如权利要求至1至5中任一项所述换气熵循环发动机，其特征在于：所述附属气体做功机构设为多级附属做功机构（60）。

9.如权利要求1至3中任一项所述换气熵循环发动机，其特征在于：所述气体压缩机构设为活塞式气体压缩机构（5）或设为叶轮式气体压缩机构或设为罗茨式气体压缩机构或设为螺杆式气体压缩机构。

10.如权利要求1至3中任一项所述换气熵循环发动机，其特征在于：所述气体做功机构设为活塞式气体做功机构（6）或设为叶轮式气体做功机构或设为罗茨式气体做功机构或设为螺杆式气体做功机构。