CN104373246A - 气闭合活塞式发动机 - Google Patents

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CN104373246A CN201410466237.9A CN201410466237A CN104373246A CN 104373246 A CN104373246 A CN 104373246A CN 201410466237 A CN201410466237 A CN 201410466237A CN 104373246 A CN104373246 A CN 104373246A
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Abstract

本发明公开了一种气闭合活塞式发动机，包括气缸活塞机构、内燃燃烧室、进气门、排气门、冷凝冷却器和液氧源，在所述气缸活塞机构上设进气口和排气口，所述进气门设在所述进气口处，所述排气门设置在所述排气口处，所述内燃燃烧室设置在所述气缸活塞机构内，所述液氧源与所述内燃燃烧室连通，所述气缸活塞机构的气缸经所述排气口和所述排气门与所述冷凝冷却器连通，所述冷凝冷却器经所述进气门和所述进气口与所述气缸活塞机构的气缸连通，在所述气缸活塞机构的气缸和所述冷凝冷却器构成的回路内充入惰性气体，所述内燃燃烧室内氧含量小于80％。本发明所公开的气闭合活塞式发动机效率高，无气体排放物、污染排放少。

Description

气闭合活塞式发动机
技术领域
本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种气闭合活塞式发动机。
背景技术
传统容积型发动机均存在着效率低、污染排放严重等问题，因此需要发明一种新型的发动机。
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1，一种气闭合活塞式发动机，包括气缸活塞机构、内燃燃烧室、进气门、排气门、冷凝冷却器和液氧源，在所述气缸活塞机构上设进气口和排气口，所述进气门设在所述进气口处，所述排气门设置在所述排气口处，所述内燃燃烧室设置在所述气缸活塞机构内，所述液氧源与所述内燃燃烧室连通，所述气缸活塞机构的气缸经所述排气口和所述排气门与所述冷凝冷却器连通，所述冷凝冷却器经所述进气门和所述进气口与所述气缸活塞机构的气缸连通，在所述气缸活塞机构的气缸和所述冷凝冷却器构成的回路内充入惰性气体，所述内燃燃烧室内氧含量小于80％。
方案2，在方案1的基础上，在所述冷凝冷却器与所述气缸活塞机构之间设深度冷凝冷却器。
方案3，在方案1的基础上，在所述冷凝冷却器上设冷凝水出口。
方案4，在方案1的基础上，在所述冷凝冷却器上设冷凝二氧化碳出口。
方案5，在方案1的基础上，在所述冷凝冷却器上设固体水出口。
方案6，在方案1的基础上，在所述冷凝冷却器上设固体二氧化碳出口。
方案7，在方案2的基础上，在所述深度冷凝冷却器上设冷凝水出口。
方案8，在方案2的基础上，在所述深度冷凝冷却器上设冷凝二氧化碳出口。
方案9，在方案2的基础上，在所述深度冷凝冷却器上设固体水出口。
方案10，在方案2的基础上，在所述深度冷凝冷却器上设固体二氧化碳出口。
方案11，在方案1的基础上，所述冷凝冷却器设为混合式冷凝冷却器，所述液氧源与所述混合式冷凝冷却器的冷却流体入口连通，所述液氧源经所述混合式冷凝冷却器与所述内燃燃烧室连通。
方案12，在方案2的基础上，所述深度冷凝冷却器设为混合式深度冷凝冷却器，所述液氧源与所述混合式深度冷凝冷却器的冷却流体入口连通，所述液氧源经所述混合式深度冷凝冷却器与所述内燃燃烧室连通。
方案13，在方案1的基础上，所述液氧源经所述冷凝冷却器的冷却流体通道与所述内燃燃烧室连通。
方案14，在方案2的基础上，所述液氧源经所述深度冷凝冷却器的冷却流体通道与所述内燃燃烧室连通。
方案15，在方案1的基础上，所述惰性气体设为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或设为由两种以上惰性气体混合构成的惰性气体混合物。
方案16，在方案1的基础上，所述内燃燃烧室使用的燃料设为液化气体燃料。
方案17，在方案4的基础上，所述气闭合活塞式发动机还包括液体二氧化碳储罐，所述液体二氧化碳储罐与所述冷凝冷却器的所述冷凝二氧化碳出口连通。
方案18，在方案8的基础上，所述气闭合活塞式发动机还包括液体二氧化碳储罐，所述液体二氧化碳储罐与所述深度冷凝冷却器的所述冷凝二氧化碳出口连通。
方案19，在方案17或18的基础上，所述二氧化碳储罐与所述液氧源的储罐一体化设置。
方案20，在方案3的基础上，所述气闭合活塞式发动机还包括冷凝水储罐，所述冷凝水储罐与所述冷凝冷却器的所述冷凝水出口连通。
方案21，在方案7的基础上，所述气闭合活塞式发动机还包括冷凝水储罐，所述冷凝水储罐与所述深度冷凝冷却器的所述冷凝水出口连通。
方案22，在方案20或21的基础上，所述冷凝水储罐与所述液氧源的储罐一体化设置。
方案23，在方案1的基础上，所述惰性气体的分子量大于20。
方案24，在方案1的基础上，所述内燃燃烧室使用的燃料设为液化气体燃料，提供所述液化气体燃料的燃料源经所述冷凝冷却器的冷却流体通道与所述内燃燃烧室连通。
方案25，在方案1的基础上，所述冷凝冷却器设为混合式冷凝冷却器，所述内燃燃烧室使用的燃料设为液化气体燃料，提供所述液化气体燃料的燃料源与所述混合式冷凝冷却器的冷却流体入口连通，提供所述液化气体燃料的燃料源经所述混合式冷凝冷却器与所述内燃燃烧室连通。
方案26，在方案2的基础上，所述内燃燃烧室使用的燃料设为液化气体燃料，提供所述液化气体燃料的燃料源经所述深度冷凝冷却器的冷却流体通道与所述内燃燃烧室连通。
方案27，在方案2的基础上，所述深度冷凝冷却器设为混合式深度冷凝冷却器，所述内燃燃烧室使用的燃料设为液化气体燃料，提供所述液化气体燃料的燃料源与所述混合式深度冷凝冷却器的冷却流体入口连通，提供所述液化气体燃料的燃料源经所述混合式深度冷凝冷却器与所述内燃燃烧室连通。
方案28，在方案1至16中任一方案的基础上，所述气闭合活塞式发动机还包括二氧化碳捕捉单元，所述二氧化碳捕捉单元与工质包络的内腔连通。
本发明中，所谓的“所述液氧源与所述内燃燃烧室连通”是指所述液氧源与所述回路连通，例如，所述液氧源直接与所述燃烧室连通，或所述燃烧室与闭合回路中所述燃烧室以外的其他部件或部件中的连通通道连通。
本发明中，所谓的“冷凝冷却器”是指能够使水发生冷凝的冷凝冷却器，或者能够使水和二氧化碳发生冷凝的冷凝冷却器。
本发明中，所谓的“深度冷凝冷却器”是指比本发明中所述冷凝冷却器的冷凝冷却温度更低的冷凝冷却器，所述深度冷凝冷却器可以进一步使二氧化碳发生液化或固化。
本发明中，所谓的“混合式冷凝冷却器”是指冷却流体与被冷却流体混合的容器。
本发明中，所谓的“混合式深度冷凝冷却器”是指冷却流体与被冷却流体混合的容器。
本发明中，所谓的“液氧源”是指能够提供液氧的系统、单元或储罐。
本发明中，在所述液氧源设为能够提供液氧的系统或单元的结构中，仍然会有不同尺寸的储罐以维持系统的平稳运行；这时的储罐可以由内部容积较大的管道等代替。
本发明中，在所述二氧化碳储罐和所述液氧源的储罐一体化设置的结构中，利用分层现象，将二氧化碳储存在储罐内，将液氧供入所述内燃燃烧室。
本发明中，在所述冷凝水储罐与所述液氧源的储罐一体化设置的结构中，利用分层现象，将液氧供入所述内燃燃烧室。
本发明中，所公开的气闭合活塞式发动机，向环境排出的水、冰、液体二氧化碳或固体二氧化碳中可能含有部分惰性气体，可以利用公知技术对这部分惰性气体进行回收。
本发明中，所谓的“惰性气体”包括单质惰性气体和惰性气体混合物。
本发明中，所谓“惰性气体的分子量”是指平均分子量。
本发明中，所述惰性气体的分子量可选择性地选择大于20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59或大于60。
本发明中，所谓的“氧气含量”是指氧的摩尔含量。
本发明中，所述内燃燃烧室内氧含量可选择性地选择小于80％、75％、70％、65％、60％、55％、50％、45％、40％、35％、30％、25％、20％、15％或小于10％。
本发明中，当所述内燃燃烧室使用的燃料为氢或氢气时，燃烧后的产物中不含二氧化碳，在这种结构中，在所述冷凝冷却器上仅设置冷凝水出口；当包含所述深度冷凝冷却器时，在所述深度冷凝冷却器上仅设冷凝水出口。
本发明中，通过控制所述液氧源供氧量达到调整所述内燃燃烧室内氧的含量，控制供氧量的过程可通过控制阀门、电控阀门、调压泵等公知手段进行。
本发明中，所述内燃燃烧室内的氧的含量决定着燃烧速率，决定着传热负荷，也决定着系统的使用寿命。
本发明中，所谓的“工质包络”是指工质所能到达的空间的壁的集合，例如：所述内燃燃烧室的容纳气体工质的空间的壁。
本发明中，所谓的“工质包络的内腔”是指工质所能到达的空间的壁的集合围成的内腔。
本发明中，所谓的“二氧化碳捕捉单元”是指将二氧化碳从工质中分离出来的单元，包括采用化学方法捕捉二氧化碳和/或用物理方法捕捉二氧化碳的装置，也包括能够分离二氧化碳的制冷分离单元，所谓的物理方法包括吸收和吸附。
本发明中，设置所述二氧化碳捕捉单元的目的是将工质中的二氧化碳加以捕捉固定减少工质中二氧化碳的含量。
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。
本发明的有益效果如下:
由于本发明所公开的气闭合活塞式发动机的循环工质的主体为惰性气体，因此，压缩单元和膨胀单元的容积比较小，升功率高；而且由于燃烧化学反应是在惰性气体相内进行，因此，与传统热气机相比，具有温升高、体积小、效率高的优势；并且本发明所公开的气闭合活塞式发动机无气体排放物、污染排放少。
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3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5的结构示意图；
图7所示的是本发明实施例6的结构示意图；
图8所示的是本发明实施例6的结构示意图；
图9所示的是本发明实施例8的结构示意图；
图10所示的是本发明实施例8的结构示意图；
图11所示的是本发明实施例9的结构示意图；
图中：
1气缸活塞机构、2内燃燃烧室、3液氧源、4冷凝冷却器、401混合式冷凝冷却器、5深度冷凝冷却器、6进气口、7排气门、8进气门、9排气口、10冷凝水出口、11冷凝二氧化碳出口、12二氧化碳储罐、13燃料源、14二氧化碳捕捉单元。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种气闭合活塞式发动机，包括气缸活塞机构1、内燃燃烧室2、进气门8、排气门7、冷凝冷却器4和液氧源3，在所述气缸活塞机构上设进气口6和排气口9，所述进气门8设在所述进气口6处，所述排气门7设置在所述排气口9处，所述内燃燃烧室2设置在所述气缸活塞机构1内，所述液氧源3与所述内燃燃烧室2连通，所述气缸活塞机构1的气缸经所述排气口9和所述排气门7与所述冷凝冷却器4连通，所述冷凝冷却器4经所述进气门8和所述进气口6与所述气缸活塞机构1的气缸连通，在所述气缸活塞机构1的气缸和所述冷凝冷却器4构成的回路内充入惰性气体，所述内燃燃烧室2内氧含量小于80％。
本实施例中，可选择性地选择，在所述回路中充入的所述惰性气体设为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或设为由两种以上惰性气体混合构成的惰性气体混合物。
在所述回路中充入惰性气体，惰性气体的绝热指数较大，按相同容积比进行压缩或膨胀，其温比大，从这个意义上讲，在一定温比的条件下，具有体积功率高的优势。
实施例2
如图2所示，一种气闭合活塞式发动机，本实施例与实施例1的区别在于，在所述冷凝冷却器4与所述气缸活塞机构1之间设深度冷凝冷却器5。
实施例3
如图3所示，一种气闭合活塞式发动机，本实施例与实施例1的区别在于，在所述冷凝冷却器4上设冷凝水出口10；
可变换地，如图4所示，在所述冷凝冷却器上设冷凝二氧化碳出口11；
可变换地，在所述冷凝冷却器上设固体水出口；
可变换地，在所述冷凝冷却器上设固体二氧化碳出口。
本发明所有的实施方式中，均可参照本实施例在所述冷凝冷却器上设冷凝水出口；可变换地，在所述冷凝冷却器上设冷凝二氧化碳出口；可变换地，在所述冷凝冷却器上设固体水出口；可变换地，在所述冷凝冷却器上设固体二氧化碳出口。
实施例4
一种气闭合活塞式发动机，本实施例与实施例2的区别在于，在所述深度冷凝冷却器上设冷凝水出口；
可变换地，在所述深度冷凝冷却器上设冷凝二氧化碳出口；
可变换地，在所述深度冷凝冷却器上设固体水出口；
可变换地，在所述深度冷凝冷却器上设固体二氧化碳出口。
实施例5
如图5所示，一种气闭合活塞式发动机，本实施例与实施例1的区别在于，所述液氧源3经所述冷凝冷却器4的冷却流体通道与所述内燃燃烧室2连通；
可变换地，如图6所示，所述冷凝冷却器4设为混合式冷凝冷却器401，所述液氧源3与所述混合式冷凝冷却器401的冷却流体入口连通，所述液氧源3经所述混合式冷凝冷却器401与所述内燃燃烧室2连通；
本发明中在设有深度冷凝冷却器的实施例中，均可参照本实施例，使所述液氧源经所述深度冷凝冷却器的冷却流体通道与所述内燃燃烧室连通；
也可选择性地选择，将所述深度冷凝冷却器设为混合式深度冷凝冷却器，所述液氧源与所述混合式深度冷凝冷却器的冷却流体入口连通，所述液氧源经所述混合式深度冷凝冷却器与所述内燃燃烧室连通。
实施例6
如图7所示，一种气闭合活塞式发动机，本实施例与实施例3的区别在于，所述气闭合活塞式发动机还包括二氧化碳储罐12，所述二氧化碳储罐12与所述冷凝冷却器4的所述冷凝二氧化碳出口11连通；
可变换地，所述二氧化碳储罐12与所述冷凝冷却器4的所述固体二氧化碳出口连通；
本实施例中，可选择地选择，如图8所示，将所述二氧化碳储罐12与所述液氧源3的储罐一体化设置，利用分层现象，将二氧化碳储存在储罐内，将液氧供入所述内燃燃烧室。
本发明中在设有深度冷凝冷却器5的实施例中，均可参照本实施例，所述气闭合活塞式发动机还包括二氧化碳储罐，将所述二氧化碳储罐与所述深度冷凝冷却器的所述冷凝二氧化碳出口连通；
可变换地，所述二氧化碳储罐与所述深度冷凝冷却器的所述固体二氧化碳出口连通；
可选择地选择，将所述二氧化碳储罐与所述液氧源的储罐一体化设置。
实施例7
一种气闭合活塞式发动机，本实施例与实施例1的区别在于，所述气闭合活塞式发动机还包括冷凝水储罐，所述冷凝水储罐与所述冷凝冷却器的所述冷凝水出口连通；
可变换地，所述冷凝水储罐与所述冷凝冷却器的所述固体水出口连通；
本实施例中，可选择地选择，将所述冷凝水储罐与所述液氧源的储罐一体化设置，利用分层现象，将液氧供入所述内燃燃烧室。
本发明中在设有深度冷凝冷却器的实施例中，均可参照本实施例，所述气闭合活塞式发动机还包括冷凝水储罐，所述冷凝水储罐与所述深度冷凝冷却器的冷凝水出口连通；
可变换地，所述冷凝水储罐与所述深度冷凝冷却器的所述固体水出口连通；
可选择地选择，将所述冷凝水储罐与所述液氧源的储罐一体化设置。
实施例8
如图9所示，一种气闭合活塞式发动机，本实施例与实施例1的区别在于，所述内燃燃烧室2使用的燃料设为液化气体燃料，提供所述液化气体燃料的燃料源13经所述冷凝冷却器4的冷却流体通道与所述内燃燃烧室2连通；
可变换地，如图10所示，所述冷凝冷却器4设为混合式冷凝冷却器401，所述内燃燃烧室2使用的燃料设为液化气体燃料，提供所述液化气体燃料的燃料源13与所述混合式冷凝冷却器401的冷却流体入口连通，提供所述液化气体燃料的燃料源13经所述混合式冷凝冷却器401与所述内燃燃烧室连通。
本发明中在设有深度冷凝冷却器的实施例中，均可参照本实施例，所述内燃燃烧室使用的燃料设为液化气体燃料，提供所述液化气体燃料的燃料源经所述深度冷凝冷却器的冷却流体通道与所述内燃燃烧室连通；
可变换地，所述深度冷凝冷却器设为混合式深度冷凝冷却器，所述内燃燃烧室使用的燃料设为液化气体燃料，提供所述液化气体燃料的燃料源与所述混合式深度冷凝冷却器的冷却流体入口连通，提供所述液化气体燃料的燃料源经所述混合式深度冷凝冷却器与所述内燃燃烧室连通。
实施例9
如图11所示，一种气闭合活塞式发动机，本实施例与实施例1或2的区别在于，所述气闭合活塞式发动机还包括二氧化碳捕捉单元14，所述二氧化碳捕捉单元14与工质包络的内腔连通。
以上所有实施例中，可选择地设置所述惰性气体的分子量大于20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59或大于60。
以上所有实施例中，可选择地设置所述惰性气体设为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或设为由两种以上惰性气体混合构成的惰性气体混合物。
以上所有实施例中，可选择地设置所述内燃燃烧室使用的燃料设为液化气体燃料。
以上所有实施例中，可选择地，使所述气闭合活塞式发动机还包括二氧化碳捕捉单元，所述二氧化碳捕捉单元与工质包络的内腔连通。
本发明所有的实施方式中，所述内燃燃烧室内氧含量可选择性地选择小于80％、75％、70％、65％、60％、55％、50％、45％、40％、35％、30％、25％、20％、15或小于10％。
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)

1.一种气闭合活塞式发动机，包括气缸活塞机构(1)、内燃燃烧室(2)、进气门(8)、排气门(7)、冷凝冷却器(4)和液氧源(3)，其特征在于：在所述气缸活塞机构上设进气口(6)和排气口(9)，所述进气门(8)设在所述进气口(6)处，所述排气门(7)设置在所述排气口(9)处，所述内燃燃烧室(2)设置在所述气缸活塞机构(1)内，所述液氧源(3)与所述内燃燃烧室(2)连通，所述气缸活塞机构(1)的气缸经所述排气口(9)和所述排气门(7)与所述冷凝冷却器(4)连通，所述冷凝冷却器(4)经所述进气门(8)和所述进气口(6)与所述气缸活塞机构(1)的气缸连通，在所述气缸活塞机构(1)的气缸和所述冷凝冷却器(4)构成的回路内充入惰性气体，所述内燃燃烧室(2)内氧含量小于80％。
2.如权利要求1所述气闭合活塞式发动机，其特征在于：在所述冷凝冷却器(4)与所述气缸活塞机构(1)之间设深度冷凝冷却器(5)。
3.如权利要求1所述气闭合活塞式发动机，其特征在于：在所述冷凝冷却器(4)上设冷凝水出口(10)。
4.如权利要求1所述气闭合活塞式发动机，其特征在于：在所述冷凝冷却器(4)上设冷凝二氧化碳出口(11)。
5.如权利要求1所述气闭合活塞式发动机，其特征在于：所述冷凝冷却器(4)设为混合式冷凝冷却器(401)，所述液氧源(3)与所述混合式冷凝冷却器(401)的冷却流体入口连通，所述液氧源(3)经所述混合式冷凝冷却器(401)与所述内燃燃烧室(2)连通。
6.如权利要求2所述气闭合活塞式发动机，其特征在于：所述深度冷凝冷却器(5)设为混合式深度冷凝冷却器，所述液氧源(3)与所述混合式深度冷凝冷却器的冷却流体入口连通，所述液氧源(3)经所述混合式深度冷凝冷却器与所述内燃燃烧室(2)连通。
7.如权利要求1所述气闭合活塞式发动机，其特征在于：所述液氧源(3)经所述冷凝冷却器(4)的冷却流体通道与所述内燃燃烧室(2)连通。
8.如权利要求2所述气闭合活塞式发动机，其特征在于：所述液氧源(3)经所述深度冷凝冷却器(5)的冷却流体通道与所述内燃燃烧室(2)连通。
9.如权利要求1所述气闭合活塞式发动机，其特征在于：所述内燃燃烧室使用的燃料设为液化气体燃料，提供所述液化气体燃料的燃料源(13)经所述冷凝冷却器(4)的冷却流体通道与所述内燃燃烧室(2)连通。
10.如权利要求1所述气闭合活塞式发动机，其特征在于：所述冷凝冷却器(4)设为混合式冷凝冷却器(401)，所述内燃燃烧室(2)使用的燃料设为液化气体燃料，提供所述液化气体燃料的燃料源(13)与所述混合式冷凝冷却器(401)的冷却流体入口连通，提供所述液化气体燃料的燃料源(13)经所述混合式冷凝冷却器(401)与所述内燃燃烧室(2)连通。
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