CN104500219A - 活塞透平复合发动机 - Google Patents
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Abstract
一种活塞透平复合发动机，包括活塞式主发动机、透平发动机、空气通道、透平工质通道、补燃装置、旁通通道、空气流向控制装置。主发动机包括气缸以及进气门和排气门。透平发动机包括透平和压气机。空气通道设置在压气机出口部与气缸进气门之间，用以将压气机的压缩空气经由进气门供应至气缸内。透平工质通道设置在透平工质入口部与气缸出气门之间，用以向透平供应工质以驱动透平旋转，其中透平的旋转会带动压气机旋转以压缩空气。补燃装置设在透平工质通道上，补燃装置以燃烧的方式对透平工质进行加温。旁通流道连接在压气机出口部与补燃装置进气口之间。空气流向控制装置用以控制压气机的压缩空气输入主发动机气缸或经旁通流道输向补燃装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种动力装置，特别是涉及一种活塞透平复合发动机。
背景技术
在现有利用尾气提供动力的装置中，主发动机的尾气推动透平旋转以带动负载。当由于某些原因主发动机没有工作时，则尾气发电部分也不进行工作，造成动力的中断。当利用这种动力装置去发电时，则会造成电力中断。
另外，发动机可能需要根据负载调节自身的功率输出。在一些极限工作状况下，例如上陡坡的情况，可能需要发动机瞬间爆发出远大于其额定功率的输出，因此这需要发动机具有较大的功率储备。
发明内容
有鉴于此，本文提出一种活塞透平复合发动机，以解决至少一种前述问题。
本文提出的一种活塞透平复合发动机，它包括活塞式主发动机、透平发动机、空气通道、透平工质通道、补燃装置、旁通通道、空气流向控制装置。活塞式主发动机包括气缸以及与气缸流体相通的进气门和排气门。所述透平发动机包括转轴以及固定在所述转轴上的透平和压气机。所述透平包括透平工质入口部，所述压气机包括压气机出口部。所述空气通道设置在所述压气机出口部与所述气缸进气门之间，用以将所述压气机的压缩空气经由所述进气门供应至所述气缸内。所述透平工质通道设置在所述透平工质入口部与所述气缸出气门之间，用以向所述透平供应工质以驱动所述透平旋转，其中所述透平的旋转会带动所述压气机旋转以压缩空气。所述补燃装置设置在所述透平工质通道上，所述补燃装置以燃烧的方式对所述透平工质进行加温，所述补燃装置包括补燃装置进气口。所述旁通流道连接在所述压气机出口部与所述补燃装置进气口之间。所述空气流向控制装置用以控制所述压气机的压缩空气输入所述主发动机气缸或经所述旁通流道输向所述补燃装置。
在一实施例中，所述主发动机包括主轴，所述透平转轴与所述主轴机械传动连接，使得所述转轴的转动与所述主轴同轴输出。
在一实施例中，所述主发动机与发电机连接用以驱动所述发电机发电，所述发电机连接至电机以对所述电机供电。
在一实施例中，所述透平发动机与发电机连接用以驱动所述发电机发电，所述发电机连接至电机以对所述电机供电。
在一实施例中，所述主发动机与第一发电机连接用以驱动所述第一发电机发电，所述第一发电机连接至电机以对所述电机供电，所述透平发动机与第二发电机连接用以驱动所述第二发电机发电，所述第二发电机连接至所述电机以对所述电机供电。
在一实施例中，所述主发动机与第一发电机连接用以驱动所述第一发电机发电，所述第一发电机连接至电机；所述透平发动机与第二发电机连接用以驱动所述第二发电机发电，所述第二发电机连接至所述电机；所述活塞透平复合发动机还包括蓄电池，所述蓄电池与所述第一发电机和第二发电机至少其中之一连接以接收所连接的发电机的电力，所述蓄电池连接至所述电机，所述第一发电机、第二发电机和蓄电池选择性地单独或以组合方式对所述电机供电。
在一实施例中，所述主发动机与所述透平发动机同轴输出，所述第一发电机和第二发电机为同一个发电机。
本文还提出一种活塞透平复合发动机，它包括活塞式主发动机、透平发动机、第一通道、补燃装置、第二通道和第三通道。所述活塞式主发动机包括进气门和排气门。所述透平发动机包括透平和压气机，其中透平的旋转会带动所述压气机旋转。所述第一通道流体连通于所述排气门与所述透平之间。所述补燃装置设置在所述第一通道上，以燃烧的方式对欲在所述透平上做工的工质加温。所述第二通道流体连通于所述压气机与所述进气门之间，所述第三通道流体连通于所述压气机与所述补燃装置之间，所述压气机的压缩空气选择性地通过所述第二通道输入至所述主发动机或通过所述第三通道输入至所述补燃装置。其中，当所述压气机的压缩空气通过所述第二通道输入至所述主发动机时，所述补燃装置以燃烧的方式对所述主发动机的废气加温；当所述压气机的压缩空气通过所述第三通道输入至所述补燃装置时，所述补燃装置以燃烧的方式对所述压缩空气加温。
综上所述，本文提供了一种活塞透平复合发动机，其将透平发动机和活塞主发动机复合在一起。当同时运行时，透平发动机增加了整个发动机组的功率储备。而且，当主发动机不运行时，透平发动机部分也可以单独运行，解决了发动机组不间断运行的难题。同时也可以增加蓄电池，必要时以活塞主发动机、透平发动机和蓄电池同时驱动负载，增加复合发动机的功率储备。
附图说明
图1是活塞透平复合发动机的一个实施例的系统示意图。
图2是活塞透平复合发动机的另一个实施例的系统示意图。
具体实施方式
在详细描述实施例之前，应该理解的是，本发明不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或元件排布。本发明可为其它方式实现的实施例。而且，应当理解，本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、其等同物及其它附加事项。特别是，当描述“一个某元件”时，本发明并不限定该元件的数量为一个，也可以包括多个。
本文提供了一种活塞透平复合发动机，主要包括活塞式主发动机、透平发动机、第一通道、补燃装置、第二通道和第三通道。活塞式主发动机包括进气门和排气门。透平发动机包括透平和压气机，其中透平的旋转会带动压气机旋转。第一通道流体连通于排气门与透平之间。补燃装置设置在第一通道上，以燃烧的方式对欲在透平上做工的工质加温。第二通道流体连通于压气机与进气门之间，第三通道流体连通于压气机与补燃装置之间。压气机的压缩空气选择性地通过第二通道输入至主发动机或通过第三通道输入至补燃装置。其中，当压气机的压缩空气通过第二通道输入至主发动机时，补燃装置以燃烧的方式对主发动机的废气加温。当压气机的压缩空气通过第三通道输入至补燃装置时，补燃装置以燃烧的方式对压缩空气加温。以下将结合附图说明本发明的具体实施方式。
图1是活塞透平复合发动机的一个实施例的系统示意图。如图1，活塞透平复合发动机包括活塞式主发动机10、透平发动机12、第一通道14、补燃装置16、第二通道18和第三通道20。
活塞式主发动机10包括气缸22以及与气缸22流体相通的进气门24和排气门26。空气自进气门24进入气缸22内，参与燃烧膨胀后，从排气门26排出。
透平发动机12包括透平转轴28以及固定在透平转轴28上的透平30和压气机32，其中透平30的旋转会通过转轴28带动压气机32一起转动以压缩空气。透平30包括透平工质入口部34，工质经由该透平工质入口部34进入透平从而驱动透平30旋转。压气机32包括压气机出口部36，空气经压气机32压缩后经由压气机出口部36排出。
第一通道14设置在气缸排气门26与透平工质入口部34之间，用以向透平30供应工质以驱动透平30旋转。因此，在本文有些地方，第一通道也可称为透平工质通道。
补燃装置16设置在第一通道或透平工质通道14上，以燃烧的方式对欲在透平上做工的工质加温。如果透平工质是来自于主发动机10的尾气，则补燃装置16对尾气进行进一步燃烧形成尾气燃烧物。尾气燃烧物然后经由透平工质通道14供应至透平30，驱动透平30旋转。一般而言，透平的工作效率与透平前工质温度有很大关系，温度越高，效率也越高。对于活塞发动机而言，其排出的尾气温度一般在450度至550度，在这个温度下，透平效率一般较低。通过补燃装置16以燃烧的方式提高尾气的温度，透平30的效率将会大幅提高。在一些实施例中，补燃后的尾气温度在600至850度。也就是说，通过在补燃装置16中投入较少的燃料，即可获得大幅提高的透平效率。
第二通道18设置在压气机出口部36与气缸进气门24之间，用以将压气机32的压缩空气经由进气门24供应至气缸22内。因此，在本文有些地方，第二通道也可称为空气通道。
第三通道20设置在压气机出口部36与补燃装置16之间，用以将压气机32的压缩空气供应至补燃装置16。也就是说，压气机32在透平30带动下所产生的压缩空气可选择性地通过第二通道或空气通道18输入至主发动机10或通过第三通道20输入至补燃装置16。
当压气机32的压缩空气输入至主发动机10时，该压缩空气与喷入气缸22内的燃料(例如，柴油)混合燃烧膨胀，然后从排气门26排出，而补燃装置16以燃烧的方式对主发动机10经排气门26排出的尾气加温，从而利用较高温度的尾气来驱动透平30旋转。
当压气机32的压缩空气通过第三通道20输入至补燃装置16时，由于主发动机10没有空气输入，主发动机10不运行，因此主发动机10不产生尾气。取而代之的是，补燃装置16内的燃料与压气机32提供的压缩空气混合燃烧，从而以燃烧的方式对压气机32的压缩空气加温，其燃烧产物驱动透平30旋转。在这种情形下，压缩空气绕过主发动机10而直接经过第三通道20通入补燃装置16，因此在本文有些地方，第三通道20也可被称为旁通通道。在压缩空气旁通的情况下，压气机32、补燃装置16和透平30构成了一个常规的燃气轮机。在这种情形下，主发动机10不运行，例如检修或者出现故障时。也就是说，通过上述构造，即使是在主发动机10不运行的情况下，透平发动机12部分还是可以正常运作，这对于有些情形是很有利的。例如，如果该复合发动机是用于发电，则即使在主发动机10无法工作时，也可以利用透平发动机12部分实现不间断的发电。
上述压缩空气的流向是通过空气流向控制装置38来控制的。在所示的实施例中，空气流向控制装置38是一个控制阀38，设置在靠近压气机出口部36的位置，控制压气机32的压缩空气经空气通道18输入主发动机气缸22或经旁通通道20输向补燃装置16。
图1所示的活塞透平复合发动机，活塞发动机部分与透平发动机部分可以采用双电机发电或者同轴输出。活塞发动机部分与透平发动机部分可以共同运行，也可以仅透平发动机单独运行。在一些实施例中，图1的复合发动机也可与蓄电池构成混合动力发动机，详细介绍如下。
图2是活塞透平复合发动机的另一个实施例的系统示意图。在图2的实施例中，发动机部分与图1的实施例相同。主发动机10驱动第一发电机40用以发电，透平发动机12驱动第二发电机42用以发电。第一发电机40和第二发电机42发出的电力可以预先储存在蓄电池44中作为储备电力，因此第一发电机40和第二发电机42至少其中之一连接至蓄电池44以对蓄电池充电。
第一发电机40、第二发电机42和蓄电池44连接至电机46用以供电给电机46。电机46例如是电动或混合动力汽车的驱动电机。根据汽车的工作状况，第一发电机40、第二发电机42和蓄电池44可以选择性地单独或以不同的组合方式对电机46进行供电。相对于仅由主发动机10提供的功率而言，本发明的做法提高了发动机的功率储备。
例如，在平坦道路上，可能只需要主发动机10驱动第一发电机40发出的电力就足够驱动电机46，因此此时透平发动机12部分可驱动第二发电机42对蓄电池44进行充电，而不用于驱动汽车行进。
又例如，遇到坡路或者汽车负载增大，可能主发动机10驱动第一发电机40发出的电力与透平发动机12驱动第二发电机42发出的电力同时驱动电机46。
又例如，当遇到较陡的破路或者汽车负载进一步增大，可能主发动机10驱动第一发电机40发出的电力、透平发动机12驱动第二发电机42发出的电力以及预先存储在蓄电池44中的电力三者同时驱动电机46。
如上所述，主发动机10与透平发动机12可以同轴输出。在同轴输出的方案中，上述第一发电机40和第二发电机42实际上是同一个发电机，被主发动机10与透平发动机12同轴输出的动力驱动。
综上所述，本文提供了一种活塞透平复合发动机，其将透平发动机和活塞主发动机复合在一起。当同时运行时，透平发动机增加了整个发动机组的功率储备。而且，当主发动机不运行时，透平发动机部分也可以单独运行，解决了发动机组不间断运行的难题。同时也可以增加蓄电池，必要时以活塞主发动机、透平发动机和蓄电池同时驱动负载，增加复合发动机的功率储备。
本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其它形式。所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附的权利要求，而不是根据之前的这些描述进行确定。在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要求的范围。
Claims (10)
1.一种活塞透平复合发动机，其特征在于，它包括：
活塞式主发动机，所述活塞式主发动机包括气缸以及与气缸流体相通的进气门和排气门；
透平发动机，所述透平发动机包括转轴以及固定在所述转轴上的透平和压气机，所述透平包括透平入口部，所述压气机包括压气机出口部；
空气通道，所述空气通道设置在所述压气机出口部与所述气缸进气门之间，用以将所述压气机的压缩空气经由所述进气门供应至所述气缸内；
透平工质通道，所述透平工质通道设置在所述透平入口部与所述气缸排气门之间，用以向所述透平供应工质以驱动所述透平旋转，其中所述透平的旋转会带动所述压气机旋转以压缩空气；
补燃装置，所述补燃装置设置在所述透平工质通道上，所述补燃装置以燃烧的方式对所述透平工质进行加温；
旁通通道，所述旁通通道连接在所述压气机出口部与所述补燃装置之间；以及
空气流向控制装置，所述空气流向控制装置用以控制所述压气机的压缩空气输入所述主发动机气缸或经所述旁通通道输向所述补燃装置。
2.如权利要求1所述的活塞透平复合发动机，其特征在于，所述主发动机包括主轴，所述透平转轴与所述主轴机械传动连接，使得所述转轴的转动与所述主轴同轴输出。
3.如权利要求1所述的活塞透平复合发动机，其特征在于，所述空气流向控制装置包括控制阀。
4.如权利要求1所述的活塞透平复合发动机，其特征在于，所述主发动机与发电机连接用以驱动所述发电机发电，所述发电机连接至电机以对所述电机供电。
5.如权利要求1所述的活塞透平复合发动机，其特征在于，所述透平发动机与发电机连接用以驱动所述发电机发电，所述发电机连接至电机以对所述电机供电。
6.如权利要求1所述的活塞透平复合发动机，其特征在于，所述主发动机与第一发电机连接用以驱动所述第一发电机发电，所述第一发电机连接至电机以对所述电机供电，所述透平发动机与第二发电机连接用以驱动所述第二发电机发电，所述第二发电机连接至所述电机以对所述电机供电。
7.如权利要求1所述的活塞透平复合发动机，其特征在于，所述主发动机与第一发电机连接用以驱动所述第一发电机发电，所述第一发电机连接至电机；所述透平发动机与第二发电机连接用以驱动所述第二发电机发电，所述第二发电机连接至所述电机；所述活塞透平复合发动机还包括蓄电池，所述蓄电池与所述第一发电机和第二发电机至少其中之一连接以接收所连接的发电机的电力，所述蓄电池连接至所述电机，所述第一发电机、第二发电机和蓄电池选择性地单独或以组合方式对所述电机供电。
8.如权利要求7所述的活塞透平复合发动机，其特征在于，所述主发动机与所述透平发动机同轴输出，所述第一发电机和第二发电机为同一个发电机。
9.一种活塞透平复合发动机，其特征在于，它包括：
活塞式主发动机，所述活塞式主发动机包括进气门和排气门；
透平发动机，所述透平发动机包括透平和压气机，其中透平的旋转会带动所述压气机旋转；
第一通道，所述第一通道流体连通于所述排气门与所述透平之间；
补燃装置，所述补燃装置设置在所述第一通道上，以燃烧的方式对欲在所述透平上做工的工质加温；
第二通道，所述第二通道流体连通于所述压气机与所述进气门之间；
第三通道，所述第三通道流体连通于所述压气机与所述补燃装置之间，所述压气机的压缩空气选择性地通过所述第二通道输入至所述主发动机或通过所述第三通道输入至所述补燃装置，其中当所述压气机的压缩空气通过所述第二通道输入至所述主发动机时，所述补燃装置以燃烧的方式对所述主发动机的尾气加温；当所述压气机的压缩空气通过所述第三通道输入至所述补燃装置时，所述补燃装置以燃烧的方式对所述压缩空气加温。
10.如权利要求9所述的活塞透平复合发动机，其特征在于，所述主发动机与第一发电机连接用以驱动所述第一发电机发电，所述第一发电机连接至电机；所述透平发动机与第二发电机连接用以驱动所述第二发电机发电，所述第二发电机连接至所述电机；所述活塞透平复合发动机还包括蓄电池，所述蓄电池与所述第一发电机和第二发电机至少其中之一连接以接收所连接的发电机的电力，所述蓄电池连接至所述电机，所述第一发电机、第二发电机和蓄电池选择性地单独或以组合方式对所述电机供电。
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| Date | Code | Title | Description |
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