CN103899431B - 一种v型负压动力设备及其做功方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种V型负压动力设备及其做功方法，包括连接管、进气单向阀、排气控制阀、气缸、活塞、活塞环、连杆、曲轴、散热器、转动轴和机壳；机壳上气缸分成两组，把相邻气缸以一定夹角布置一起，左右两列气缸中心线的夹角γ＜180°，两组气缸形成一个夹角的平面，从侧面看气缸排列呈V字形。本发明的V型结构缩短了机体的长度和高度；气缸之间已相互错开布置，有较大的空间，在最达功率范围内能调整高温气体进气量调整输出功率；该设备是对高温热气进行循环利用，经济效益高，节能环保，噪音小。
Description
技术领域
本发明属于热能动力设备领域，尤其是利用太阳能、地热、可燃物燃烧产生的高温气体、内燃机热能或尾气、工厂排出的高温气体等热能转换成动能的动力机器。
背景技术
传统的动力设备有蒸汽机、内燃机、外燃机。
蒸汽机：离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机器，惯性限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。
内燃机：结构复杂，对燃料要求较高，对燃料的洁净度要求严格，对环境污染。
外燃机，如斯特林发动机是其中一种，斯特林发动机与内燃机比较具备以下优点：
适用于各种能源，无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源(太阳能放射性同位素和核反应等)，而发动机本身(除加热器外)不需要作任何更改。同时斯特林发动机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量；斯特林发动机单机容量小，机组容量从20－50kw，可以因地制宜的增减系统容量；结构简单，零件数比内燃机少40%，降价空间大；维护成本低。
斯特林发动机在运行时，由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，独立于燃气的工质通过加热器吸热，并按斯特林循环对外做功，因此避免了类似内燃机的爆震做功和间歇燃烧过程，从而实现了高效、低噪和低排放运行。高效：总能效率达到80%以上；低噪：1米处裸机噪音底于68dBA；低排放：尾气排放达到欧5标准。
由于工质不燃烧，外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。只要热腔达到700℃，设备即可做功运行，环境温度越低，发电效率越高。外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。
同时斯特林发动机尚存在的主要问题和缺点是：制造成本较高，工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题，材料成本高，功率调节控制系统较复杂，机器较为笨重；膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等。
有机朗肯循环系统包括泵、蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器等。集热器吸收太阳辐照，集热器内换热介质温度升高，换热介质通过蒸发器把热量传给有机工质。有机工质在蒸发器中定压加热，高压的气态有机工质进入膨胀机膨胀做功，带动发电机发电；膨胀机尾部排出的有机工质进入冷凝器中定压冷凝，冷凝器出口的有机工质经过泵加压后进入蒸发器完成一次发电循环。
有机朗肯循环系统存在转换效率不高，体积大，需要借助结构复杂的膨胀机做功。
水平对置发动机的最大优点是重心低。由于它的汽缸为“平放”，不仅降低了汽车的重心，还能让车头设计得又扁又低，这些因素都能增强汽车的行驶稳定性。同时，水平对置的汽缸布局是一种对称稳定结构，这使得发动机的运转平顺性比V型发动机更好，运行时的功率损耗也是最小。当然更低的重心和均衡的分配也为车辆带了更好的操控性。缺点是：除了因为水平对置结构较为复杂外，还有如机油润滑等问题很难解决。横置的气缸因为重力的原因，会使机油流到底部，使一边气缸得不到充分的润滑。虽然保时捷和斯巴鲁很好的解决了众多技术难题，但高精度的制造要求也带来了更高的养护成本，并且由于机体较宽，因而并不利于布局。
V型发动机，简单的说就是将所有汽缸分成两组，把相邻汽缸以一定夹角布置一起（左右两列气缸中心线的夹角γ＜180°），使两组汽缸形成一个夹角的平面，从侧面看汽缸呈V字形（通常的夹角为60°），故称V型发动机。
与我们上面介绍的直列布局形式相比，V型发动机缩短了机体的长度和高度，而更低的安装位置可以便于设计师设计出风阻系数更低的车身，同时得益于汽缸对向布置，还可抵消一部分振动，使发动机运转更为平顺。由于汽缸之间已相互错开布置，因此在汽缸之间有较大的空间，这样便于通过扩大汽缸直径来提高排量和功率。V型发动机的汽缸均成一角度对向布置，可以抵消一部分振动。不足之处是：V型发动机的缺点是必须使用两个汽缸盖，结构较为复杂。另外其宽度加大后，发动机两侧空间较小，不易再安排其它装置。
发明内容
本发明克服了外燃机存在的膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等问题；克服了有机朗肯循环系统需要膨胀机或汽轮机，制造成本高的技术难题；克服了内燃机V型发动机结构较为复杂、制造成本高的问题。本发明提出的V型负压动力设备是采用了现有V型发动机结构，结合斯特林发动机、有机朗肯循环系统和内燃机V型发动机优点的负压动力设备。是把热能吸收后对气缸进行散热冷却产生负压拉动活塞做功。
本发明提供了一种热能转换效率高、最大功率范围内能调整高温气体进气量来调整输出功率、能通过调整温度进行调整输出功率、机器输出功率平稳的V型负压动力设备。
本发明采用的技术方案是：一种V型负压动力设备，包括连接管、进气单向阀、排气控制阀、气缸、活塞、活塞环、连杆、曲轴、散热器、转动轴和机壳；机壳上气缸分成两组，把相邻气缸以一定夹角布置一起，左右两列气缸中心线的夹角γ＜180°，两组气缸形成一个夹角的平面，从侧面看气缸排列呈V字形；气缸内分别设有活塞，活塞上设有活塞环；活塞连接连杆，连杆连接曲轴，曲轴连接转动轴，转动轴通过轴承固定在机壳上；气缸的上止点设有进气单向阀和排气控制阀；气缸外层设有散热器；气缸顶部设有缸盖。
进一步，所述散热器制成散热片形式。
进一步，在所述散热器上设置循环管道和在管道内注入循环冷却介质。
进一步，在所述缸盖中部设有进气单向阀。
进一步，所述气缸上的排气控制阀能根据热气源温度自动调节排气。
上述V型负压动力设备做功方法如下：外界热气源通过连接管经开启的进气单向阀，活塞向后移动把热气输入到低压缸；活塞到达下止点时关闭进气单向阀；气缸内的热气通过散热器散热冷却，气缸内产生负压拉动活塞向前运动做功；冷却后的做功气体或液体利用活塞到达上止点时，通过排气控制阀排出；通过多个气缸轮流做功，通过转动轴把动能输出。
本发明的优点是：1）V型结构缩短了机体的长度和高度；2）气缸之间已相互错开布置，有较大的空间，能扩大气缸直径来提高排量和功率；3）热能转换效率15%-65%；4）能根据所需功率调整机器气缸容量调整输出功率；5）在最达功率范围内能调整高温气体进气量调整输出功率；6）该设备是对高温热气进行循环利用，经济效益高，节能环保，噪音小。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是V型发动机结构示意图；
图中：1为连接管；2为进气单向阀；3为排气控制阀；4为气缸；5为活塞；6为活塞环；7为连杆；8为曲轴；9为散热器；10为转动轴；11为机壳；12为缸盖。
具体实施方式
参照附图，本发明的实施方式是：
实施例1
一种V型负压动力设备，包括连接管1、进气单向阀2、排气控制阀3、气缸4、活塞5、活塞环6、连杆7、曲轴8、散热器9、转动轴10、机壳11和缸盖12；机壳11上气缸4分成两组，把相邻气缸4以一定夹角布置一起，左右两列气缸4中心线的夹角γ＜180°，两组气缸4形成一个夹角的平面，从侧面看气缸4排列呈V字形，通常的夹角为60°；气缸4内分别设有活塞5，活塞5上设有活塞环6；活塞5连接连杆7，连杆7连接曲轴8，曲轴8连接转动轴10，转动轴10通过轴承固定在机壳11上；气缸4的上止点设有进气单向阀2和排气控制阀3；气缸4外层设有散热器9；气缸4顶部设有缸盖12。
实施例2
如实施例1中的V型热能动力设备，所述气化反应器3包括气化导热片和分布在气化导热片上的气孔；所述进气单向阀8关联曲轴，每完成一次循环压力阀开启关闭一次；本实施例以6气缸结构为例，左右两组气缸成V型结构，左边气缸最外边两个气缸和右边最中间一个气缸同时做功；右边气缸最外边两个气缸和左边最中间一个气缸同时做功；V型热能动力设备气缸4数量一般为5、6、8、10、12、16。
Claims (2)
1.一种V型负压动力设备，包括连接管（1）、进气单向阀（2）、排气控制阀（3）、气缸（4）、活塞（5）、活塞环（6）、连杆（7）、曲轴（8）、散热器（9）、转动轴（10）、机壳（11）和缸盖（12）；机壳（11）上气缸（4）分成两组，把相邻气缸（4）以一定夹角布置一起，左右两列气缸（4）中心线的夹角γ＜180°，两组气缸（4）形成一个夹角的平面，从侧面看气缸（4）排列呈V字形；气缸（4）内分别设有活塞（5），活塞（5）上设有活塞环（6）；活塞（5）连接连杆（7），连杆（7）连接曲轴（8），曲轴（8）连接转动轴（10），转动轴（10）通过轴承固定在机壳（11）上；气缸（4）的上止点设有进气单向阀（2）和排气控制阀（3）；气缸（4）外层设有散热器（9）；气缸（4）顶部设有缸盖（12）；所述散热器（9）制成散热片形式；在所述散热器（9）上设置循环管道和在管道内注入循环冷却介质；在所述缸盖（12）中部设有进气单向阀（2）；所述气缸（4）上的排气控制阀（3）能根据热气源温度自动调节排气。
2.如权利要求1所述V型负压动力设备做功的方法是：外界热气源通过连接管经开启的进气单向阀，活塞向后移动把热气输入到低压缸；活塞到达下止点时关闭进气单向阀；气缸内的热气通过散热器散热冷却，气缸内产生负压拉动活塞向前运动做功；冷却后的做功气体或液体利用活塞到达上止点时，通过排气控制阀排出；通过多个气缸轮流做功，通过转动轴把动能输出。
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