CN103629008A - U流极限压比循环发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种U流极限压比循环发动机，包括气缸活塞机构和连通通道，在所述气缸活塞机构的气缸上设进气口、排气口，在所述进气口处设进气门，在所述排气口处设排气门；在所述气缸活塞机构的气缸内设燃烧室，所述连通通道连通所述进气口和所述排气口，在所述连通通道上设冷却器和工质导出口，所述燃烧室与氧化剂供给器和燃料供给器连通。本发明可充分利用发动机排气中的能量，具有压缩比高、效率高、节能的特点。
Description
技术领域
本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种发动机。
背景技术
传统发动机一般以大气为进气源，所以压缩过程的起点压力较低，这不仅影响发动机的效率，而且严重影响发动机的功率密度。如果能够为发动机提供具有一定压力而且温度又不高的进气，在扣除进气功耗后也可以有效地增加发动机的效率和功率密度。
发明内容
本发明提供了一种功率大、功率密度高、节能环保的U流极限压比循环发动机，具体技术方案如下：
方案1.一种U流极限压比循环发动机，包括气缸活塞机构和连通通道，在所述气缸活塞机构的气缸上设进气口、排气口，在所述进气口处设进气门，在所述排气口处设排气门；在所述气缸活塞机构的气缸内设燃烧室，所述连通通道连通所述进气口和所述排气口，在所述连通通道上设冷却器和工质导出口，所述燃烧室与氧化剂供给器和燃料供给器连通。
方案2.在方案1的基础上，进一步可选择的，在所述排气口和所述冷却器之间的所述连通通道上设置速度型动力机构或设置容积型动力机构。
方案3.在方案1或2的基础上，进一步可选择的，在所述冷却器和所述进气口之间的所述连通通道上设置速度型压气机或设置容积型压气机构。
方案4.在方案3的基础上，进一步可选择的在所述速度型压气机构或容积型压气机构上设附属冷却器。
方案5.在方案3的基础上，进一步可选择的，在所述速度型压气机构或所述容积型压气机构与所述进气口之间的所述连通通道上设附属冷却器。
方案6.在上述方案1至5中的任意方案的基础上，进一步可选择的，在所述工质导出口处设控制阀。
方案7. 在上述方案1至6中的任意方案的基础上，进一步可选择的，所述工质导出口与做功机构的工质入口连通。
方案8.在上述方案1至7中的任意方案中，可选择的，所述连通通道的承压能力大于0.2MPa。
方案9.在上述方案1至8中的任意方案中，可选择的，所述连通通道的承压能力大于0.3MPa。
方案10.在上述方案1至9中的任意方案中，可选择的，所述连通通道的承压能力大于0.4MPa。
方案11.在上述方案1至10中的任意方案中，可选择的，所述连通通道的承压能力大于0.5MPa。
方案12.在上述方案1至11中的任意方案中，可选择的，所述连通通道的承压能力大于1MPa。
方案13.在上述方案1至12中的任意方案的基础上，进一步可选择的，所述冷却器的出口温度低于373K。
方案14. 在上述方案1至13中的任意方案的基础上，进一步可选择的，所述附属冷却器的出口温度低于373K。
方案15.在上述方案1至14中的任意方案的基础上，进一步可选择的，所述燃料供给器的燃料为汽油。
方案16.在上述方案1至15中的任意方案的基础上，进一步可选择的，所述燃烧室的燃烧方式为等压放热。
本发明的原理是：所述气缸活塞机构按吸压爆排四冲程工作模式工作或按扫气压缩冲程-做功冲程二冲程工作模式工作，做功后的尾气经所述排气口进入所述连通通道，在所述连通通道上被所述冷却器冷却后经所述进气口进入所述气缸活塞机构的气缸，其中一部分工质经所述工质导出口导出，以维持系统内的工质平衡；在设有所述速度型压气机构或设有所述容积型压气机构的机构中，进入所述气缸活塞机构的气缸内的气体压力会大于从所述气缸活塞机构的气缸排出的气体的压力；在设有所述速度型动力机构或设有所述容积型动力机构中，从所述气缸活塞机构的气缸排出的气体的能量得到了进一步利用。
本发明中，所述氧化剂是指能与燃料发生燃烧化学反应的物质，例如液氧、氧气、空气、液态空气、双氧水、双氧水溶液等。
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、航空煤油等其他烃类；所述碳氢氧化合物包括甲醇、乙醇、甲醚、乙醚等。
本发明中，所述速度型压气机构是指叶轮压气机等，所述容积型压气机构是指活塞式、罗茨式、螺杆式压气机等。
本发明中，所述速度型动力机构是指叶轮式动力机构等，所述容积型动力机构是指活塞式、罗茨式、螺杆式动力机构等。
本发明中，所述做功机构包括气缸活塞式做功机构、叶轮式做功机构、罗茨马达、螺杆马达、气动马达等。
本发明中，所谓的“等压放热”包括工程上可近似认为等压放热的放热过程。
为了提高系统的效率，可以提高所述连通通道内的气体的压力，在这种情况下，应提高所述连通通道的承压能力。
本发明中，所述连通通道内的承压能力可设为大于0.6MPa、0.7MPa 、0.8MPa、0.9MPa 、1MPa、1.5MPa、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或大于15MPa。
本发明中，所述连通通道内的工作压力与所述连通通道的承压能力相匹配，即所述连通通道内的最高工质压力达到其承压能力。
本发明中，“所述燃烧室与氧化剂供给器和燃料供给器连通”是指只要所述氧化剂供给器提供的氧化剂能够进入所述燃烧室即可，所述燃料供给器提供的燃料能够进入所述燃烧室即可，而不局限于所述氧化剂供给器和所述燃料供给器设置的位置，所述氧化剂供给器和所述燃料供给器设置位置应根据公知技术选择。
本发明中的所述U流极限压比循环发动机可选择性地按照下述中的循环模式工作，但是由于在实际机构等诸多条件的限制下，本发明中发动机可能完全按下述循环方式工作，有可能出现一定程度偏差，但仍属于U流极限压比循环发动机的范畴。
本发明中，图7是纵轴为压力，横轴为温度的图，即P-T 图，其中曲线A、曲线B和曲线C是绝热过程曲线，0-1是恒温压缩过程，1-2是绝热压缩过程，2-3是恒温吸热膨胀过程，3-0是绝热膨胀过程，2-4和2-4′是恒容加热过程，2-5和2-5′是恒压加热过程。
其中：0-1-2-3-0是卡诺循环的工作模式；0-1-2-5-0是效率高于前述卡诺循环的循环模式，0′-1-2-5′-0′是效率高于前述0-1-2-5-0的循环模式；0′-1-2-4′-0′是比0-1-2-4-0效率更高的循环工作模式。由图7可知，由状态点2开始到达任何一个在状态点3和4之间的并与状态点3和4在同一绝热过程曲线上的加热过程构成的循环的效率均比以状态点2处的温度为高温热源的卡诺循环的效率高，同样由状态点2开始到达任何一个在状态点3′和4′之间的并与状态点3′和4′在同一绝热过程曲线上的加热过程构成的循环的效率均比以状态点2处的温度为高温热源的卡诺循环、0-1-2-5-0以及0-1-2-4-0的效率高。本发明所公开的U流极限压比循环发动机，其循环模式可以是上述0-1-2-3-0、0-1-2-5-0、0-1-2-4-0、0′-1-2-5′-0′以及0′-1-2-4′-0′循环模式，也可以是0-1-2-X-0的循环模式，其中，X在状态点3和4之间的通过状态点3和4的绝热过程曲线上；或可以是0′-1-2-X′-0′的循环模式，其中，X′在状态点3′和4′之间的通过状态点3′和4′的绝热过程曲线上。
图中0-1-2-A-B-0的工作循环是效率高于前述0-1-2-3-0、0-1-2-5-0以及0-1-2-4-0工作循环的工作模式，其中A-B-C是等压线，上述工作循环的效率的排列顺序如下：0-1-2-A-B-0＞0-1-2-4-0＞0-1-2-5-0＞0-1-2-3-0。
对应的，0′-1-2-A-C-3′-0′的工作循环是效率高于前述0′-1-2-3′-0′、0′-1-2-5′-0′、0′-1-2-4′-0′、以及0′-1-2-4′-0′工作循环的工作模式，上述工作循环的效率的排列顺序如下：0′-1-2-A-C-3′-0′＞0′-1-2-4′-0′＞0′-1-2-5′-0′＞0′-1-2-3′-0′。
图中T3与T2的温差小于200K。
本发明中，所述恒温压缩过程、绝热压缩过程、恒容加热过程、恒压加热过程、恒温吸热膨胀过程以及绝热膨胀过程，均包括严格按所述过程进行的过程，也包括由于工程上或机构上的限制所必须采取的近似过程，例如：恒温压缩过程可能无法真正实现恒温压缩，但是必须有冷却过程参与，例如压缩过程的级间冷却过程的参与。
本发明中，所述冷却器和所述附属冷却器都是冷却器，名称不同只是为了区分而定义的。
本发明中，所述气缸活塞机构可以按照四冲程工作模式工作，也可以按照二冲程工作模式工作，根据具体情况、依据公知技术决定其按二冲程工作模式或按四冲程工作模式工作，并根据工作模式的不同，依据公知技术对所述气缸活塞机构的结构进行调整。
本发明中，应根据发动机领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统，例如根据所述燃烧室内燃烧条件的要求可以设置火花塞等。
本发明的有益效果如下：
本发明可充分利用从气缸活塞机构的气缸排出的气体的能量，具有压缩比高、效率高、节能的特点，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为本发明实施例3的结构示意图；
图4为本发明实施例4的结构示意图；
图5为本发明实施例5的结构示意图；
图6为本发明实施例6的结构示意图；
图7是本发明的P-T图，
图中：
1气缸活塞机构、101进气口、102排气口、103氧化剂供给器、104燃料供给器、11进气门、12排气门、2 连通通道、3冷却器、301附属冷却器、4工质导出口、5燃烧室、6速度型动力机构、7速度型压气机构、8控制阀、9做功机构。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的一种U流极限压比循环发动机，包括气缸活塞机构1和连通通道2，在所述气缸活塞机构1的气缸上设进气口101、排气口102，在所述进气口101处设进气门11，在所述排气口102处设排气门12；在所述气缸活塞机构1的气缸内设燃烧室5，所述连通通道2连通所述进气口101和所述排气口102，在所述连通通道2上设冷却器3和工质导出口4，所述燃烧室5与氧化剂供给器103和燃料供给器104连通。
本实施例中，可选择性的作如下设置：将所述燃料供给器104供的燃料设为汽油；将所述连通通道2的承压能力设为大于0.2MPa；将所述冷却器3的出口温度设为低于373K；将所述燃烧室5的燃烧方式设为等压放热。
具体实施时，还可选择性地使所述连通通道2内的承压能力改设为大于0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa 、0.8MPa、0.9MPa 、1MPa、1.5MPa、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或大于15MPa。
实施例2
如图2所示的U流极限压比循环发动机，其在实施例1的基础上，在所述工质导出口4处增设控制阀8。所述连通通道2的承压能力大于0.3MPa。所述冷却器3的出口温度低于373K。
本发明的所有实施方式中，都可以参照本实施例设置所述控制阀8。
实施例3
如图3所示的U流极限压比循环发动机，其在实施例2的基础上，使所述工质导出口4与做功机构9的工质入口连通。所述连通通道2的承压能力大于0.4MPa。
作为可以变换的实施方式，所述控制阀8可以不设。
本发明的所有实施方式中，都可以参照本实施例设置所述做功机构9。
实施例4
如图4所示的U流极限压比循环发动机，其在实施例3的基础上，在所述排气口102和所述冷却器3之间的所述连通通道2上增设速度型动力机构6，所述速度型动力机构6设为叶轮式动力机构。在所述冷却器3和所述进气口101之间的所述连通通道2上增设速度型压气机7，所述速度型压气机7设为叶轮压气机。所述连通通道2的承压能力改设为大于0.5MPa。
为了提高系统的效率，所述速度型动力机构6对所述速度型压气机7输出动力，所述速度型动力机构6也可以对外输出动力。
作为可以变换的实施方式，可以改为在所述排气口102和所述冷却器3之间的所述连通通道2上设置容积型动力机构，可以同时或择一改为在所述冷却器3和所述进气口101之间的所述连通通道2上设置容积型压气机构。
作为可变化的实施方式，可在所述排气口102和所述冷却器3之间的所述连通通道2上设置速度型动力机构6时，将所述冷却器3和所述进气口101之间的连通通道2上改设为容积型压气机构，或者反之，采用所述容积型压气机构时对应速度型动力机构。其中，容积型动力机构还可改设为活塞式、罗茨式、螺杆式动力机构等；容积型压气机构还可改设为活塞式、罗茨式、螺杆式压气机等。
实施例5
如图5所示的U流极限压比循环发动机，其与实施例4的区别在于：在所述速度型压气机构7上增设附属冷却器301。所述连通通道2的承压能力大于1MPa。
本实施例中，可选择性的设置所述附属冷却器301的出口温度低于373K。
对于在所述冷却器3和所述进气口101之间的所述连通通道2上设置容积型压气机构的实施方式，可参考本实施例在所述容积型压气机构上设所述附属冷却器301。
实施例6
如图6所述的U流极限压比循环发动机，其在实施例4的基础上，在所述叶轮压气机构7与所述进气口101之间的所述连通通道2上增设附属冷却器301。
本实施例中，可选择性的将所述附属冷却器301的出口温度设为低于373K。
对于在所述冷却器3和所述进气口101之间的所述连通通道2上设置容积型压气机构的实施方式，可参考本实施例，在所述容积型压气机构与所述进气口101之间的所述连通通道2上增设所述附属冷却器301。
本发明的所有实施方式中，都可以选择性的同时或择一将所述燃料供给器104供的燃料设为汽油，将所述燃烧室5的燃烧方式设为等压放热。
具体实施时，选择性地，上述所有实施方式中，所述连通通道2内的承压能力可改设为大于0.6MPa、0.7MPa 、0.8MPa、0.9MPa 、1MPa、1.5MPa、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或大于15MPa。
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U流极限压比循环发动机，包括气缸活塞机构（1）和连通通道（2），其特征在于：在所述气缸活塞机构（1）的气缸上设进气口（101）和排气口（102），在所述进气口（101）处设进气门（11），在所述排气口（102）处设排气门（12）；在所述气缸活塞机构（1）的气缸内设燃烧室（5），所述连通通道（2）连通所述进气口（101）和所述排气口（102），在所述连通通道（2）上设冷却器（3）和工质导出口（4），所述燃烧室（5）与氧化剂供给器（103）和燃料供给器（104）连通。
2.如权利要求1所述U流极限压比循环发动机，其特征在于：在所述排气口（102）和所述冷却器（3）之间的所述连通通道（2）上设置速度型动力机构（6）或设置容积型动力机构。
3.如权利要求2所述U流极限压比循环发动机，其特征在于：在所述冷却器（3）和所述进气口（101）之间的所述连通通道（2）上设置速度型压气机构（7）或设置容积型压气机构。
4.如权利要求3所述U流极限压比循环发动机，其特征在于：在所述速度型压气机构（7）或所述容积型压气机构上设附属冷却器（301）。
5.如权利要求3所述U流极限压比循环发动机，其特征在于：在所述速度型压气机构（7）或所述容积型压气机构与所述进气口（101）之间的所述连通通道（2）上设附属冷却器（301）。
6.如权利要求1至5中任一项所述U流极限压比循环发动机，其特征在于：在所述工质导出口（4）处设控制阀（8）。
7.如权利要求1至5中任一项所述U流极限压比循环发动机，其特征在于：所述工质导出口（4）与做功机构（9）的工质入口连通。
8.如权利要求1至5中任一项所述U流极限压比循环发动机，其特征在于：所述连通通道（2）的承压能力大于0.2MPa。
9.如权利要求1至5中任一项所述U流极限压比循环发动机，其特征在于：所述连通通道（2）的承压能力大于0.3MPa。
10.如权利要求1至5中任一项所述U流极限压比循环发动机，其特征在于：所述连通通道（2）的承压能力大于0.4MPa。
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