CN103982298A - 内燃气体液化物高温发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃气体液化物高温发动机，包括含氧气体液化物源、内燃燃烧室和旋转做功机构，所述含氧气体液化物源与所述内燃燃烧室的工质入口连通，所述内燃燃烧室的工质出口与所述旋转做功机构的工质入口连通，所述内燃燃烧室的承压能力大于3MPa，所述内燃燃烧室的工质出口处的工质温度高于500K。本发明的所述内燃气体液化物高温发动机结构简单，功率密度高，效率高，污染排放少。

Description

内燃气体液化物高温发动机

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种内燃气体液化物高温发动机。

背景技术

为了解决环境问题，人们发明了电动汽车和液氮发动机，前者续航能力差，充电时间长，为此其应用受到严重限制，后者效率低。为此需要发明一种新型的、污染小的、效率高的发动机。

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1：一种内燃气体液化物高温发动机，包括含氧气体液化物源、内燃燃烧室和旋转做功机构，所述含氧气体液化物源与所述内燃燃烧室的工质入口连通，所述内燃燃烧室的工质出口与所述旋转做功机构的工质入口连通，所述内燃燃烧室的承压能力大于3MPa，所述内燃燃烧室的工质出口处的工质温度高于500K。

方案2：在方案1的基础上，在所述含氧气体液化物源与所述内燃燃烧室的工质入口之间的连通通道上设余热加热器。

方案3：在方案1的基础上，在所述含氧气体液化物源与所述内燃燃烧室的工质入口之间的连通通道上设环境加热器。

方案4：在方案1至3中任一方案的基础上，在所述含氧气体液化物源与所述内燃燃烧室的工质入口之间的连通通道上设含氧气体液化物加压泵。

方案5：在方案1至4中任一方案的基础上，所述旋转做功机构设为透平式膨胀做功机构。

方案6：在方案1至4中任一方案的基础上，所述旋转做功机构设为喷管推进转子做功机构。

方案7：在方案1至4中任一方案的基础上，所述旋转做功机构设为喷管推进转子做功机构，所述喷管推进转子做功机构包括转子和喷管，所述喷管与所述转子有矩设置，所述内燃燃烧室设置在所述转子上，所述含氧气体液化物源经旋转接头与所述内燃燃烧室的工质入口连通，所述内燃燃烧室的工质出口与所述喷管的工质入口连通。

方案8：在方案1至7中任一方案的基础上，所述内燃燃烧室的燃料设为汽油、柴油、煤油、重油、轻油、天然气、煤层气、甲醇、乙醇、甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、甲醚、乙醚、氢气或设为固体燃料。

方案9：在方案1至8中任一方案的基础上，所述内燃燃烧室产生的工质的温度和压力符合类绝热关系。

本发明中，所述燃料可以是汽油、柴油、煤油、重油、轻油、液化天然气、煤层气、氢气、烃类(例如甲烷、乙烷、乙炔、乙烯等)、醇类(例如甲醇、乙醇等)、醚类(例如甲醚、乙醚等)或为固体燃料。

本发明中，所述烃类化合物为烷烃化合物或炔烃化合物，例如甲烷、乙烷、乙炔、乙烯等。

本发明中，所谓的“旋转做功机构”是指转子受气体工质直接作用发生旋转而对外做功或者是转子受气体工质喷射时产生的反作用力的作用发生旋转而对外做功的机构，例如透平式膨胀做功机构、喷管推进转子做功机构等。

本发明中，所述旋转做功机构包括单级旋转做功机构、多级旋转做功机构。

本发明中，所述透平式膨胀做功机构包括单级透平式膨胀做功机构，也包括多级透平式膨胀做功机构，所述透平式膨胀做功机构包括涡轮式膨胀做功机构。

本发明中，应尽可能选择膨胀比大的所述旋转做功机构。

本发明中，所述喷管可以选择性的选择完全膨胀喷管，所述完全膨胀喷管是指经过喷管后压力降到1个大气压的喷管。

本发明中，所谓的“喷管推进转子做功机构”是指工质通过拉瓦尔喷管喷射形成旋转动力的机构，包括所述拉瓦尔喷管做旋转运动对外输出动力的机构，所述拉瓦尔喷管做旋转运动对外输出动力的同时由所述拉瓦尔喷管喷射出的高速流体推动叶轮机构旋转对外做功的机构和所述拉瓦尔喷管静止由所述拉瓦尔喷管喷射出的高速流体推动叶轮机构旋转对外做功的机构；所述叶轮机构可以是径流叶轮机构也可以是轴流叶轮机构，所述叶轮机构可以是单级也可以是多级；所述喷管推进转子做功机构可以选择性地选择：包括工质回收壳和设置在旋转结构体上的拉瓦尔喷管构成的机构，低熵轮机(参见申请号为201010164156.5的专利文献)，超音速转子发动机(参见申请号为201110186547.1的专利文献)以及其它由拉瓦尔喷管喷射形成旋转动力的径流机构和轴流机构。

本发明中，所谓的“所述喷管与所述转子有矩设置”是指所述喷管喷射时所受到的反作用力对所述转子的旋转轴线产生扭矩的设置方式。

本发明中，所述余热加热器是利用余热对工质进行加热的加热器。

本发明中，所述环境加热器是利用环境中的空气对工质进行加热的加热器。

本发明中，所谓的“含氧气体液化物源”是一切能够以一定压力提供含氧气体液化物的系统，例如，包括含氧气体液化物储罐和含氧气体液化物加压泵等的系统等。

本发明中，所谓的“气体液化物”是指被液化的标准状态下为气态的气体，这里的气体是指标准状态下其蒸气分气压大于或等于一个大气压的物质，例如，液氧或液化空气等。

本发明中，所谓的“含氧气体液化物”是指含有液态氧气的气体液化物，例如液氧，液化空气，液氮与液氧的混合物等。由于含氧气体液化物中蓄有大量能量，也不需高温汽化器，使用含氧气体液化物能够使得本申请的发动机结构简单、效率高。

本发明中，所述内燃燃烧室的承压能力大于3MPa、3.5MPa、4.0MPa、4.5MPa、5.0MPa、5.5MPa、6.0MPa、6.5MPa、7.0MPa、7.5MPa、8.0MPa、8.5MPa、9.0MPa、9.5MPa、10.0MPa、10.5MPa、11.0MPa、11.5MPa、12.0MPa、12.5MPa、13.0MPa、13.5MPa、14.0MPa、14.5MPa、15.0MPa、16.0MPa、17.0MPa、18.0MPa、19.0MPa、20.0MPa、21.0MPa、22.0MPa、23.0MPa、24.0MPa、25.0MPa、26.0MPa、27.0MPa、28.0MPa、29.0MPa或大于30.0MPa。

本发明中，所述内燃燃烧室内的工质压力与其承压能力相匹配，即所述内燃燃烧室内的工质的最高压力达到其承压能力。

本发明中，所述内燃燃烧室的工质出口处的工质温度高于500K、550K、600K、650K、700K、750K、800K、850K、900K、950K或高于1000K。

本发明中，所述内燃燃烧室的工质出口处的工质温度可选择性地低于3000K，具体地可选择性为500K、550K、600K、650K、700K、750K、800K、850K、900K、950K、1000K、1050K、1100K、1150K、1200K、1250K、1300K、1350K、1400K、1450K、1500K、1550K、1600K、1700K、1800K、1900K、2000K、2100、2200K、2300K、2400K、2500K、2600K、2700K、2800K或2900K，也可以选择性地在上述所列任意两个温度值之间。

本发明中，所谓的类绝热关系包括下列三种情况：1.气体工质的状态参数(即工质的温度和压力)点在工质绝热关系曲线(即经过标准状态点的工质绝热关系曲线)上，即气体工质的状态参数点在图9中O‐A‐H所示曲线上；2.气体工质的状态参数(即工质的温度和压力)点在所述工质绝热关系曲线左侧，即气体工质的状态参数点在图9中O‐A‐H所示曲线的左侧；3.气体工质的状态参数(即工质的温度和压力)点在所述工质绝热关系曲线右侧，即气体工质的状态参数点在图9中O‐A‐H所示曲线的右侧，但是气体工质的温度不高于由此气体工质的压力按绝热关系计算所得温度加1000K的和、加950K的和、加900K的和、加850K的和、加800K的和、加750K的和、加700K的和、加650K的和、加600K的和、加550K的和、加500K的和、加450K的和、加400K的和、加350K的和、加300K的和、加250K的和、加200K的和、加190K的和、加180K的和、加170K的和、加160K的和、加150K的和、加140K的和、加130K的和、加120K的和、加110K的和、加100K的和、加90K的和、加80K的和、加70K的和、加60K的和、加50K的和、加40K的和、加30K的和/或不高于加20K的和，即如图9所示，所述气体工质的实际状态点为B点，A点是压力与B点相同的绝热关系曲线上的点，A点和B点之间的温差应小于1000K、900K、850K、800K、750K、700K、650K、600K、550K、500K、450K、400K、350K、300K、250K、200K、190K、180K、170K、160K、150K、140K、130K、120K、110K、100K、90K、80K、70K、60K、50K、40K、30K或小于20K。

本发明中，所谓类绝热关系可以是上述三种情况中的任何一种，也就是指：所述内燃燃烧室的产生的工质的状态参数(即气体工质的温度和压力)点在如图9所示的通过B点的绝热过程曲线E‐B‐D的左侧区域内。

本发明中，所述内燃燃烧室应根据公知技术与燃料源连通。

本发明中，某个数值A以上和某个数值A以下均包括本数A。

本发明人根据热力学的基本原理以及对宇宙现象的观察认为：在没有外部因素影响的前提下，热不可能百分之百的转换成其它任何形式的能量或物质。传统热力学第二定律中只阐述了在没有外部因素影响的前提下，热不能百分之百的转换成功，这一定律是正确的，但是是片面的。可以用通俗的语言将热定义为能量的最低形式，或者简称为这是宇宙的垃圾。经分析，本发明人还认为：任何生物(动物、植物、微生物、病毒和细菌)的生长过程都是放热的。经分析，本发明人还认为：任何一个过程或任何一个循环(不局限于热力学过程，例如化学反应过程、生物化学反应过程、光化学反应过程、生物生长过程、植物生长过程都包括在内)其最大做功能力守恒，本发明人认为没有光合作用的植物生长过程是不能提高其做功能力的，也就是说，豆芽的做功能力是不可能高于豆子的做功能力加上其吸收的养分的做功能力之和；之所以一棵树木的做功能力要大于树苗的做功能力，是因为阳光以光合作用的形式参与了由树苗到树木的生长过程。

本发明人认为：热机工作的基本逻辑是收敛‐受热‐发散。所谓收敛是工质的密度的增加过程，例如冷凝、压缩均属收敛过程，在同样的压力下，温度低的工质收敛程度大；所谓受热就是工质的吸热过程；所谓发散是指工质的密度降低的过程，例如膨胀或喷射。任何一个发散过程都会形成做功能力的降低，例如，气态的空气的做功能力要远远低于液态空气的做功能力；甲醇加水加中等温度的热生成一氧化碳和氢气，虽然所生成的一氧化碳和氢气的燃烧热大于甲醇的燃烧热20％左右，但其做功能力大于甲醇的做功能力的比例则微乎其微，其原因在于这一过程虽然吸了20％左右的热，但是生成物一氧化碳和氢气的发散程度远远大于甲醇。因此，利用温度不高的热参加化学反应是没有办法有效提高生成物的做功能力的。

本发明人认为：距离增加是熵增加的过程，冷热源之间的距离也影响效率，距离小效率高，距离大效率低。

本发明中，应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、单元或系统等。

本发明的有益效果如下:

本发明的所述内燃气体液化物高温发动机结构简单，功率密度高，效率高，污染排放少。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图；

图3是本发明实施例3的结构示意图；

图4是本发明实施例4的结构示意图；

图5是本发明实施例5的结构示意图；

图6是本发明实施例6的结构示意图；

图7是本发明实施例7的结构示意图；

图8是本发明实施例8的结构示意图；

图9所示的是气体工质的温度T和压力P的关系图。

图中，

1含氧气体液化物源、2内燃燃烧室、3旋转做功机构、4液氮加压泵、31涡轮式膨胀做功机构、32涡轮式膨胀做功机构、33喷管推进转子做功机构、21余热加热器、22环境加热器。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的内燃气体液化物高温发动机，包括含氧气体液化物源1、内燃燃烧室2和旋转做功机构3，所述含氧气体液化物源1与所述内燃燃烧室2的工质入口连通，所述内燃燃烧室2的工质出口与所述旋转做功机构3的工质入口连通，所述内燃燃烧室2的承压能力大于3MPa，所述内燃燃烧室2的工质出口处的工质温度高于500K。

实施例2

如图2所示的内燃气体液化物高温发动机，在实施例1的基础上，进一步将所述旋转做功机构3设为透平式膨胀做功机构，具体地设为涡轮式膨胀做功机构31，在所述含氧气体液化物源1与所述内燃燃烧室2的工质入口之间的连通通道上增设余热加热器21，并将所述含氧气体液化物源1设为了含氧气体液化物储罐。

选择性地，所述旋转做功机构3还可以为多级旋转做功机构；所述旋转做功机构3可以改设为其他形式的容积型旋转做功机构或速度型旋转做功机构。

实施例3

如图3所示的内燃气体液化物高温发动机，其与实施例2的区别在于：所述旋转做功机构3改设为包括涡轮式膨胀做功机构31和涡轮式膨胀做功机构32的两级旋转做功机构，本实施例中，所述涡轮式膨胀做功机构31和所述涡轮式膨胀做功机构32的旋转轴不共轴。

选择性地，所述涡轮式膨胀做功机构31和所述涡轮式膨胀做功机构32的旋转轴还可共轴设置。

实施例4

如图4所示的内燃气体液化物高温发动机，其与实施例2的区别在于：取消所述余热加热器21，在相同位置设置环境加热器22，所述内燃燃烧室2的承压能力改设为大于5MPa，所述内燃燃烧室2的工质出口处的工质温度改设为高于600K。

实施例5

如图5所示的内燃气体液化物高温发动机，其与实施例2的区别在于：在所述含氧气体液化物源1与所述内燃燃烧室2的工质入口之间的连通通道上增设液氮加压泵4，所述内燃燃烧室2的承压能力改设为大于20MPa，所述内燃燃烧室2的工质出口处的工质温度高于800K。

作为可以变换的实施方式，本发明的所有实施方式都可参照本实施例在所述含氧气体液化物源1与所述内燃燃烧室2的工质入口之间的连通通道上加设含氧气体液化物加压泵4。

实施例6

如图6所示的内燃气体液化物高温发动机，其与实施例5的区别在于：所述旋转做功机构3改设为喷管推进转子做功机构33，所述内燃燃烧室2的承压能力改设为大于30MPa，所述内燃燃烧室2的工质出口处的工质温度改设为高于1000K。

实施例7

如图7所示的内燃气体液化物高温发动机，其与实施例6的区别在于：取消所述余热加热器21，在相同位置增设环境加热器22，取消所述含氧气体液化物加压泵4，所述内燃燃烧室2的承压能力改设为大于10MPa，所述内燃燃烧室2的工质出口处的工质温度改设为高于700K。

实施例8

如图8所示的内燃气体液化物高温发动机，其与实施例1的区别在于：所述旋转做功机构3具体的设为了喷管推进转子做功机构33，所述喷管推进转子做功机构33包括转子331和喷管332，所述喷管332与所述转子331有矩设置，所述内燃燃烧室2设置在所述转子331上，所述含氧气体液化物源1经旋转接头333与所述内燃燃烧室2的工质入口连通，所述内燃燃烧室2的工质出口与所述喷管332的工质入口连通,在所述含氧气体液化物源1与所述内燃燃烧室2的工质入口之间的连通通道上增设环境加热器22。

作为可以变换的实施方式，上述实施方式中所述环境加热器22和所述余热加热器21可以互为替代。

上述各实施方式中给出了所述旋转做功机构3的几种具体结构形式，作为可以变换的实施方式，所述旋转做功机构3不限于上述列出的几种形式。

作为可变换的实施方式，上述所有实施方式中，所述内燃燃烧室2的承压能力大于还可改设为大于3.5MPa、4.0MPa、4.5MPa、5.0MPa、5.5MPa、6.0MPa、6.5MPa、7.0MPa、7.5MPa、8.0MPa、8.5MPa、9.0MPa、9.5MPa、10.0MPa、10.5MPa、11.0MPa、11.5MPa、12.0MPa、12.5MPa、13.0MPa、13.5MPa、14.0MPa、14.5MPa、15.0MPa、16.0MPa、17.0MPa、18.0MPa、19.0MPa、20.0MPa、21.0MPa、22.0MPa、23.0MPa、24.0MPa、25.0MPa、26.0MPa、27.0MPa、28.0MPa、29.0MPa或大于30.0MPa。

作为可变换的实施方式，上述所有实施方式中，所述内燃燃烧室2的工质出口处的工质温度还可设为高于550K、600K、650K、700K、750K、800K、850K、900K、950K或高于1000K，还可选择性地同时使所述内燃燃烧室2的工质出口处的工质温度低于3000K。

以上所有实施方式中的所述内燃气体液化物高温发动机，所述内燃燃烧室2的燃料均可选择性地设为汽油、柴油、煤油、重油、轻油、天然气、煤层气、甲醇、乙醇、甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、甲醚、乙醚、氢气或设为固体燃料。

以上所有实施方式中的所述内燃气体液化物高温发动机，可选择性地使所述内燃燃烧室2产生的工质的温度和压力符合类绝热关系。

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)

1.一种内燃气体液化物高温发动机，包括含氧气体液化物源(1)、内燃燃烧室(2)和旋转做功机构(3)，其特征在于：所述含氧气体液化物源(1)与所述内燃燃烧室(2)的工质入口连通，所述内燃燃烧室(2)的工质出口与所述旋转做功机构(3)的工质入口连通，所述内燃燃烧室(2)的承压能力大于3MPa，所述内燃燃烧室(2)的工质出口处的工质温度高于500K。

2.如权利要求1所述内燃气体液化物高温发动机，其特征在于：在所述含氧气体液化物源(1)与所述内燃燃烧室(2)的工质入口之间的连通通道上设余热加热器(21)。

3.如权利要求1所述内燃气体液化物高温发动机，其特征在于：在所述含氧气体液化物源(1)与所述内燃燃烧室(2)的工质入口之间的连通通道上设环境加热器(22)。

4.如权利要求1所述内燃气体液化物高温发动机，其特征在于：在所述含氧气体液化物源(1)与所述内燃燃烧室(2)的工质入口之间的连通通道上设含氧气体液化物加压泵(4)。

5.如权利要求1至4中任一项所述内燃气体液化物高温发动机，其特征在于：所述旋转做功机构(3)设为透平式膨胀做功机构。

6.如权利要求1至4中任一项所述内燃气体液化物高温发动机，其特征在于：所述旋转做功机构(3)设为喷管推进转子做功机构(33)。

7.如权利要求1至4中任一项所述内燃气体液化物高温发动机，其特征在于：所述旋转做功机构(3)设为喷管推进转子做功机构(33)，所述喷管推进转子做功机构(33)包括转子(331)和喷管(332)，所述喷管(332)与所述转子(331)有矩设置，所述内燃燃烧室(2)设置在所述转子(331)上，所述含氧气体液化物源(1)经旋转接头(333)与所述内燃燃烧室(2)的工质入口连通，所述内燃燃烧室(2)的工质出口与所述喷管(332)的工质入口连通。

8.如权利要求1至4中任一项所述内燃气体液化物高温发动机，其特征在于：所述内燃燃烧室(2)的燃料设为汽油、柴油、煤油、重油、轻油、天然气、煤层气、甲醇、乙醇、甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、甲醚、乙醚、氢气或设为固体燃料。

9.如权利要求1至4中任一项所述内燃气体液化物高温发动机，其特征在于：所述内燃燃烧室(2)产生的工质的温度和压力符合类绝热关系。

10.如权利要求1至4中任一项所述内燃气体液化物高温发动机，其特征在于：所述内燃燃烧室(2)的工质出口处的工质温度低于3000K。