CN103742262B - 外燃式发动机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外燃式发动机及其工作方法，该外燃式发动机包括压缩冷却部分、加热膨胀部分、回热器和燃烧器，其主要设计在于压缩冷却部分包括至少两台以串联形式连接的双作用压缩机，相邻两台压缩机之间设置冷却器；膨胀部分包括至少两台以串联形式连接的双作用膨胀机，每台膨胀机的进气口前连接加热器；压缩冷却部分与加热膨胀部分连接有回热器；燃烧器入口与最后一级膨胀机的排气口相通。工作方法为空气经过多级压缩中间冷却，回热吸热，多级加热膨胀，排气燃烧之后，燃气作为加热器以及回热器的热源。本发明具有热效率高、燃料适应性好、运行稳定、污染小等优点，适合作为外燃式发动机，或同类产品的改进。

Description

外燃式发动机及其工作方法

技术领域

本发明涉及发动机，是一种外燃式发动机及其工作方法。

背景技术

发动机一般指的是热机，是一种将燃料，或者其他能源转换为工质的热能并将热能进一步转化为机械能输出的一种装置。

随着经济社会发展，人类对动力以及电力需求不断增长，但是化石能源的枯竭以及燃烧利用化石能源引起的环境污染给社会带来了巨大的负面影响。寻求一种新的高效环保发动机以及可以利用多种能源形式比如气体，液体，固体形式能源、可再生能源(太阳能、生物质、地热能等)的多燃料多热源发动机是目前解决能源动力问题的一个重要手段。

内燃机是一种传统的，利用非常广泛的发动机。顾名思义，内燃机是一种燃料在气缸内部燃烧，最常见的是汽油机和柴油机。由于燃料燃烧是在短时间、间歇式等限制条件下进行的，造成燃料燃烧不充分，尾气污染严重，变工况效率差，发动机磨损，维护成本高，对燃料质量要求高，爆燃以及噪音振动等许多缺点。内燃机目前是一种相对很成熟的技术，但其发展由于受到上述缺点影响而受到一定限制。

外燃机也是一种古老的发动机，常见的有斯特林发动机。这种发动机是伦敦的牧师RobertStirling于1816年发明的，被命名为“斯特林发动机”(Stirling engine)。斯特林发动机是独特的热机，因为其理论上的效率几乎等于理论最大效率(卡诺循环效率，图5是卡诺循环的温熵图，理论上发动机能达到的效率上限，有等熵压缩过程1-2，等温吸热过程2-3，等熵膨胀过程3-4和等温放热过程4-1组成)。图3是现有的斯特林机结构原理图。图4是理想斯特林机循环的温熵图，由等温放热过程1-2，等容回热放热过程2-3，等温吸热过程3-4，以及等容回热吸热过程组成。斯特林机是一种外燃发动机，燃料在工质工作腔外的燃烧室内连续地燃烧，通过换热器将热量传给发动机内部的工质。斯特林循环是一种闭式循环，可以选择空气、氢气以及氦气等作为内部工质。

外燃机相对于内燃机一个突出优点在于其可以利用多种燃料以及多种热源，比如气体、液体、固体燃料，热值较低的燃料比如沼气、生物质，成分复杂燃料如煤炭。由于外燃机可以利用连续、长时间的燃烧能够将燃料充分燃烧，提高燃烧效率，大大减少污染物排放。还利用太阳能、地热能、核能以及一些工业废热等热源，还可以用在一些特殊装置中，比如潜艇以及太空动力设备等。

除了将发动机分为内燃机和外燃机外，还可以按照发动机内部运动方式分为往复式发动机以及旋转式发动机。上面提到的汽油机、柴油机以及斯特林机都是属于往复式发动机，其主要特征为活塞、气缸结构。旋转式发动机中，常用的燃气轮机和蒸汽轮机。图6是现有燃气轮机循环的温熵图，有等熵压缩过程1-2，等压吸热过程2-3，等熵膨胀过程3-4以及等压放热过程4-1组成，分别对应空气经过压气机压缩，进入燃烧室燃烧，再进入涡轮机以及排气这四个过程。高温燃气膨胀时对涡轮机做功，对外输出机械功。蒸汽轮机需要较大体积的涡轮机、凝汽器、锅炉等设备，体积膨大，一般用于大功率的火力发电厂。因此，燃气轮机的应用范围更广一些。

如上所述，燃气轮机的燃烧是在发动机内部进行，燃烧产物进入涡轮机，因此从广义上也属于内燃式发动机，但由于其旋转运动方式，使得气流的流动连续，进而使得燃烧过程较完全。但由于其仍然属于内燃的方式，对燃料的要求同样较高。因此很早就提出了外燃式燃气轮机的概念。20世纪五十年代，Donaid L.等就对燃煤的外燃式燃气轮机进行了研究。外燃式燃气轮机的热力循环过程：空气经过压缩机压缩，进入高温换热热器与燃料在燃烧室排放的高温燃气进行热交换，吸收热量后成为高温高压空气，高温高压空气进入涡轮机进行膨胀做功，膨胀后压力基本为大气压，从涡轮机排出的空气进入燃烧室，与燃料混合燃烧，形成高温燃气，并进入高温换热器，与从压缩机来的压缩空气进行换热，将热量传输给压缩空气，自身降低温度，最后废气排出。其循环特征为工质经过压缩，回热，膨胀之后才经过燃烧，是一种利用尾部排气再燃烧的热力循环方式。图7是现有外燃式燃气轮机循环的温熵图，有等熵压缩过程1-2，等压吸热过程2-3，等熵膨胀过程3-4，以及等压加热过程4-5以及等压放热过程5-1组成。

由于燃气轮机的循环特征决定了如果要有高的热效率，必须将工质加热到很高温度，通常达到一千摄氏度以上，因此对发动机材料的要求很高，制造工艺较复杂。此外当燃气轮机设计功率变小以后(比如作为车用、分布式能源等用途时)，由于一些流动损失加大等原因，使得其效率较低。

发明内容

为了克服上述常见发动机的一些缺点，如内燃机的燃料燃烧不充分，尾气污染严重，变工况效率差，发动机磨损，对燃料质量要求高，爆燃以及噪音振动等缺点；燃气轮机对燃料要求高，外燃式燃气轮机对燃料要求性降低，但两者都需要较大功率以及很高的工质温度才能有较高的热效率，对材料要求较高，制造成本高等缺点，本发明提出了一种新型的外燃式发动机及其工作方法，能够为中低功率要求的场合提供动力。其目的是通过如下技术方案实现的。

该外燃式发动机包括压缩冷却部分、加热膨胀部分、回热器和燃烧器，其结构要点在于所述压缩冷却部分包括至少两台以串联形式连接的双作用压缩机，即前一级双作用压缩机的排气口连接后一级双作用压缩机的进气口，且相邻两台双作用压缩机之间的通路上设置冷却器用以冷却从前一级双作用压缩机排气口出来的压缩空气；所述膨胀部分包括至少两台以串联形式连接的双作用膨胀机，即前一级双作用膨胀机的排气口连接后一级双作用膨胀机的进气口，且每台双作用膨胀机的进气口前连接加热器用以加热进入双作用膨胀机进气口的压缩空气；最后一级所述双作用压缩机排气口与第一级所述双作用膨胀机前的加热器的冷流体侧入口之间连接回热器用以加热进入加热器的压缩空气；所述加热器的热源由所述燃烧器的高温燃气提供，且流经加热器后的高温燃气进一步为所述回热器提供热源，经过回热器后的燃气通过发动机排气口排出；所述燃烧器入口与最后一级所述双作用膨胀机的排气口相通，燃烧器的燃料由外部输入。

上述燃烧器、加热器、回热器的连接结构有以下两种方案：

方案一：各所述加热器的热流体侧管路之间并联，再与燃烧器、回热器串联连接，即燃烧器出口管路分成支路分别接入各级加热器的热流体侧入口，各级加热器的热流体侧管路出口再接入回热器的热流体侧管路入口。

方案二：所述的燃烧器数量增加至与加热器同样多，燃烧器与加热器热流体侧的管路串联，即在每个加热器前连接一个燃烧器，前一级加热器热流体侧管路出口接入后一级加热器前所连接的燃烧器的入口，所述后一级加热器的热流体侧管路的入口连接该级加热器对应的燃烧器出口，最后一级加热器的热流体侧管路的出口与所述回热器的热流体侧管路相通。

该外燃式发动机工作的基本原理是，从外界吸空气，空气经过双作用压缩机压缩，两个相邻双作用压缩机之间设有冷却器冷却，从末级双作用压缩机出来的压缩空气进入回热器并与从加热器排出的高温燃气换热，从回热器出来的压缩空气进入加热器并与从燃烧室出来的高温燃气换热，压缩空气进入双作用膨胀机膨胀做功，空气工质从最后一级双作用膨胀机排出后进入燃烧器并与进入燃烧器的燃料混合燃烧产生高温燃气，高温燃气进入各加热器热流体侧与冷流体侧的压缩空气换热，从加热器出来的燃气进入回热器热流体侧与从末级双作用压缩机出来的压缩空气换热，最后燃气排出发动机。

通过采用多级压缩中间冷却以及多级膨胀中间加热可以有效降低发动机低温端放热以及高温端吸热时的温差，降低了系统熵产，提高系统的效率。此外压缩过程中的中间冷却可以较少该过程中外界对气体做的功。这意味着可以降低工质的温度(可以减少高温合金的使用，降低成本)而保证有较高的热效率。这种串联形式不同于将多个简单的单级压缩膨胀且具有回热过程的外燃式发动机并联，并联后每个外燃式热机都各自需要一个回热器，但此处整个发动机只需要一个回热器，减少了发动机结构，减轻了重量，节省了材料。此外，从热力循环角度来讲本发明的外燃式发动机的热力循环与简单的单级压缩膨胀具有回热过程的外燃式发动机的热力循环有着本质区别。

本发明中采用的双作用往复式压缩机和双作用往复式膨胀机具有活塞-气缸结构。所谓的双作用活塞-气缸结构是指，气缸被活塞分成上下两个气缸空间，当活塞上行和下行的时候，都有工质在上下两个气缸中，都能完成有效的工作过程。单作用活塞-气缸结构就只能在活塞完成下行和上行两个冲程才完成吸气压缩过程或者膨胀排气过程。本发明中使用双作用活塞-气缸结构不仅可以提高功率密度，还有一个重要作用就是通过将从双作用气缸两端排气管路合并再连接到换热器(冷却器，回热器以及加热器)以及燃烧器，当活塞下行和上行的时候都有气流流出，能够对换热器以及燃烧室提供一个准连续的气流，强化了换热效果，和燃烧的连续性。单作用气缸在曲轴旋转一周时，只有活塞上行或下行时有工质进入气缸或排出气缸，气流是间歇性的，有一半时间以上气流是停滞的，这对换热器换热效果以及燃烧室燃烧都有很大不利影响。因此本发明采用双作用气缸较好的解决了这个问题，强化了换热器的换热效果，使得燃烧室的气流尽可能连续，燃烧更完全，避免了单作用气缸形式的外燃发动机的弊端。双作用气缸的两端各有进气口和排气口，通过阀门控制气流的进出。阀门开关的时间可以按照传统的内燃机的凸轮结构进行控制。活塞杆的直线运动可以通过曲柄连杆结构或者斜盘结构转为旋转运动输出，方便后续利用。

本发明中采用排气后的燃烧过程，由于从膨胀机出来的空气压力已经较低了，但是温度还是很高，将此排气通入燃烧室，和燃料混合，提高了燃烧过程的初始温度，可以使得燃料量减少，燃烧较充分，减少不完全燃烧污染物。此外还可以配合加热器个数，在高温燃气进入每个加热器前都设置一个燃烧器，即将原先的燃料分配到每个燃烧器中，与来流燃气混合燃烧，提高燃气温度，在进入加热器中加热冷流体侧的压缩空气。由于每个燃烧器的燃料量减少，使得每个燃烧器中的燃烧温度降低，减少了氮氧化物NOx的排放，并且也降低了燃烧室材料所承受的高温，可以选用更加廉价的材料，降低成本。

本发明的外燃式发动机的功率调节可以通过在进气口增设一个空气阀根据发动机的功率需要调节空气进入量的大小。燃料阀门控制燃料进入量的大小，并配合进气量的大小，保证发动机所需的热量输入。

本发明相比于现有技术的优点是：

与传统内燃机相比较，有较高的热力循环效率以及功率密度；使用寿命长，由于不像内燃机高温火焰直接作用于气缸，活塞以及气阀上，这些部件寿命更长，采用外燃式燃烧避免了爆震，积炭等不利影响，运动部件只与干净的空气接触，也使得运动部件寿命增加；稳定的外部燃烧室燃烧使得燃料的可以充分燃烧，减少污染物排放，发动机噪音和振动小；可以使用多种燃料，气体、液体、固体、生物质以及沼气等；进一步改进中间加热器的形式，可以利用太阳能、核能、地热能以及其他易于得到的热源产生机械能。

与斯特林机为代表的外燃机相比较，避免了斯特林机中加热器、回热器、冷却器等造成的死体积的影响，使得发动机设计优化更易实现较理想效果；提高了发动机效率及功率密度，使得外燃机功率性能更加接近内燃机；发动机许多部件以及控制和现在的内燃机有很多共同点，增加了实际可行性，降低研发生产成本。

附图说明

图1是本发明实施方案的结构原理图。

图2是是本发明实施方案的的工质温熵图。

图3是现有的斯特林机结构原理图。

图4是理想斯特林机循环的温熵图，由等温放热过程1-2，等容回热放热过程2-3，等温吸热过程3-4，以及等容回热吸热过程组成

图5是卡诺循环的温熵图，理论上发动机能达到的效率上限，有等熵压缩过程1-2，等温吸热过程2-3，等熵膨胀过程3-4和等温放热过程4-1组成。

图6是现有燃气轮机循环的温熵图，有等熵压缩过程1-2，等压吸热过程2-3，等熵膨胀过程3-4以及等压放热过程4-1组成。

图7是现有外燃式燃气轮机循环的温熵图，有等熵压缩过程1-2，等压吸热过程2-3，等熵膨胀过程3-4，以及等压加热过程4-5以及等压放热过程5-1组成。

图1中序号的名称为：1、双作用压缩机，2、冷却器，3、回热器，4、加热器，5、双作用膨胀机，6、燃烧器。

具体实施方式

现结合附图，以具体实施为例对本发明作进一步说明。

如图1所示，该外燃式发动机主要包括三个双作用压缩机、两个冷却器、一个回热器、三个双作用膨胀机、三个加热器、三个燃烧室、空气阀和空气过滤器，具体的结构连接为：三个双作用压缩机串联，并且相邻的两个双作用压缩机之间的设置冷却器，从一级双作用压缩机气缸两端的排气口出来的两个管路合并后接入一级冷却器冷流体侧的入口，在冷却器冷流体侧的出口的管路再次分为两路接入二级双作用压缩机气缸两端的两个进气口。二级双作用压缩机与二级冷却器，以及二级冷却器与三级双作用压缩机的连接方式与前面的连接方式相同。从三级双作用压缩机气缸两端排气口出来的管路合并后接入回热器冷流体侧入口，回热器冷流体侧出口接入一级加热器冷流体侧入口。加热器与双作用膨胀机串联，具体为：一级加热器冷流体侧出口管路分为两路接入一级双作用膨胀机气缸两端的进气口，其两端的两个排气口管路合并后再接入二级加热器冷流体侧入口，二级加热器与二级双作用膨胀机，以及三级加热器与三级双作用膨胀机机的连接方式与此相同。从三级双作用膨胀气缸两端排气口出来的管路合并之后再接入一级燃烧室，一级燃烧室出口管路接入三级加热器热流体侧入口，三级加热器热流体侧出口连接二级燃烧器入口，二级燃烧室出口连接二级加热器热流体侧入口，二级加热器热流体侧出口连接三级燃烧室入口，三级燃烧室出口连接一级加热器热流体侧入口，一级加热器热流体侧出口连接回热器热流体侧入口，回热器热流体侧出口通过管路通向发动机外界。

除上结构以外：亦可仅采用一个燃烧器，燃烧器出口与各级加热器的热流体侧管路相互依次串联后，再与回热器的热流体侧管路相连。或者，加热器的热流体侧管路之间并联，再与燃烧器、回热器串联连接，即燃烧器出口管路分成支路分别接入各级加热器的热流体侧入口，各级加热器的热流体侧管路出口再接入回热器的热流体侧管路入口。

发动机具体工作流程为：空气通过空气过滤器，通过空气流量控制阀，进入一级双作用压缩机，空气状态为图2温熵图所示的点1，经过压缩后，达到状态点2。空气从一级双作用压缩机中排出，进入一级冷却器，经过冷却后，空气达到状态点3。空气再进入二级双作用压缩机，经过压缩后，空气状态达到点4。压缩空气进入二级冷却器冷却，空气达到状态点5。冷却后的空气进入到三级双作用压缩机，经压缩后，空气达到点6。从三级双作用压缩机排出的空气，进入回热器与从一级加热器排出的高温燃气进行热交换，温度升高，压缩空气达到状态点7。压缩空气进入一级加热器，与从三级燃烧器中出来的高温燃气进行热交换，进一步提高温度，达到状态点8。高温高压的空气进入一级双作用膨胀机膨胀做功后，压力和温度降低，达到状态点9，再进入二级加热器，与从二级燃烧器中出来的高温燃气进行换热，提高温度到状态点10。高温空气进入二级双作用膨胀机膨胀做功后，压力和温度降低，达到状态点11，再进入三级加热器，与从一级燃烧器中出来的高温燃气进行换热，提高温度到状态点12。高温空气进入三级双作用膨胀机膨胀做功，温度和压力下降，达到状态点13。空气进入一级燃烧器与燃料混合燃烧，提高温度后，燃气状态点达到14，高温燃气进入三级加热器，与从二级双作用膨胀机出来的空气进行热交换，温度降低，至状态点15。再进入二级燃烧器，与燃料再次混合，燃气温度提高至状态点16，进入二级加热器，与从一级双作用膨胀机出来的空气进行热交换，温度降低至状态点17。燃气进入三级燃烧器，与燃料混合燃烧，提升温度，至状态点18，进入一级加热器，与从回热器出来的空气进行热交换，温度降低至19。然后进入回热器与从三级双作用压缩机出来的压缩空气进行热交换，温度进一步降低，最后从发动机中排出。压缩机的冷却方式，图1中采用了风冷，风机从周围环境中吸入冷空气，使得冷空气进入一级和二级冷却器，与压缩空气进行热交换，最后排出发动机。

该例子中采用了双作用气缸结构，很好的解决了往复式活塞发动机工作间歇的缺点，使得换热器和燃烧器中的气流稳定，提高了换热效率和燃烧稳定性，对整个发动机效果有着较大作用。

活塞杆的直线运动可以通过传统内燃机的曲柄连杆机构或者斜盘结构转化为旋转运动输出。由于采用了多缸设计，可以使得动力输出更加平稳。发动机功率控制可以通过空气过滤器后的阀门来控制流量，并配合控制燃料输入量，使得发动机热端温度保持稳定。通过这种方式可以方便的调节发动机功率，并使得发动机调功率时有较快的响应时间。

Claims (8)

1.一种外燃式发动机，该外燃式发动机包括压缩冷却部分、加热膨胀部分、回热器和燃烧器，其特征在于：

所述压缩冷却部分包括至少两台以串联形式连接的双作用压缩机，即前一级双作用压缩机的排气口连接后一级双作用压缩机的进气口，且相邻两台双作用压缩机之间的通路上设置冷却器用以冷却从前一级双作用压缩机排气口出来的压缩空气；

所述膨胀部分包括至少两台以串联形式连接的双作用膨胀机，即前一级双作用膨胀机的排气口连接后一级双作用膨胀机的进气口，且每台双作用膨胀机的进气口前连接加热器用以加热进入双作用膨胀机进气口的压缩空气；

最后一级所述双作用压缩机排气口与第一级所述双作用膨胀机前的加热器的冷流体侧入口之间连接回热器用以加热进入加热器的压缩空气；

所述加热器的热源由所述燃烧器的高温燃气提供，且流经加热器后的高温燃气进一步为所述回热器提供热源，经过回热器后的燃气通过发动机排气口排出；

所述燃烧器入口与最后一级所述双作用膨胀机的排气口相通，燃烧器的燃料由外部输入；

各所述加热器的热流体侧管路之间并联，再与燃烧器、回热器串联连接，即燃烧器出口管路分成支路分别接入各级加热器的热流体侧入口，各级加热器的热流体侧管路出口再接入回热器的热流体侧管路入口。

2.根据权利要求1所述的外燃式发动机，其特征在于所述燃烧器、加热器、回热器之间的连接结构替换为：燃烧器数量增加至与加热器同样多，燃烧器与加热器热流体侧的管路串联，即在每个加热器前连接一个燃烧器，前一级加热器热流体侧管路出口接入后一级加热器前所连接的燃烧器的入口，所述后一级加热器的热流体侧管路的入口连接该级加热器对应的燃烧器出口，最后一级加热器的热流体侧管路的出口与所述回热器的热流体侧管路相通。

3.根据权利要求1所述的外燃式发动机，其特征在于所述的双作用压缩机排气口接入冷却器热流体侧入口或者回热器冷流体侧入口时，其排气口管路合并之后再接入冷却器或者回热器入口，当冷却器热流体侧出口接入双作用压缩机的进气口时，其出口管路分为两路分别接入双作用压缩机气缸两端的进气口，当双作用膨胀机排气口接入加热器冷流体侧或者燃烧器入口时，其排气口管路合并之后再接入加热器或者燃烧器，当加热器冷流体侧出口接入双作用膨胀机的进气口时，其出口管路分为两路分别接入双作用膨胀机气缸两端的进气口。

4.根据权利要求1所述的外燃式发动机，其特征在于所述的燃烧器的燃料为气体、液体、固体燃料其中的一种或任意组合。

5.根据权利要求1所述的外燃式发动机，其特征在于所述的双作用压缩机和双作用膨胀机的活塞杆直线运动通过曲柄连杆机构转为旋转运动输出，或者是通过斜盘机构转为旋转运动输出。

6.根据权利要求1所述的外燃式发动机，其特征在于：所述的双作用压缩机和双作用膨胀机的进气和排气通过凸轮气阀机构进行控制。

7.根据权利要求1所述的外燃式发动机，其特征在于所述的双作用压缩机从外界吸气时，在空气入口管路上增设一个空气阀，控制进入发动机的空气流量，同时通过燃料阀相应的增大或减小燃料的进入量，满足发动机功率调节需要。

8.一种如权利要求1所述的外燃式发动机的工作方法，其特征在于该外燃式发动机的工作方法为：从外界吸空气，空气经过双作用压缩机压缩，两个相邻双作用压缩机之间设置的冷却器冷却，从最后一级双作用压缩机出来的压缩空气进入回热器并与从加热器排出的高温燃气换热，从回热器出来的压缩空气进入加热器并与从燃烧室出来的高温燃气换热，压缩空气进入双作用膨胀机膨胀做功，空气工质从最后一级双作用膨胀机排出后进入燃烧器并与进入燃烧器的燃料混合燃烧产生高温燃气，高温燃气进入各加热器热流体侧与冷流体侧的压缩空气换热，从加热器出来的燃气进入回热器热流体侧与从最后一级双作用压缩机出来的压缩空气换热，最后燃气排出发动机。