CN1058550C - 内燃完全膨胀机 - Google Patents

Abstract

内燃完全膨胀机，属于热机技术领域，主要由准等温涡卷(涡旋)式多级压缩机、间冷器、间热器、单向阀、燃烧室、涡卷(涡旋)式多级膨胀机、涡卷(涡旋)式蒸汽机(或温差电堆或吸收式制冷机)等构成。它与奥拓、迪塞尔机的主要区别是压缩比大而压缩功耗小，膨胀彻底，微压排气，放热过程改等容为等压；与燃气轮机的主要区别是转速较低，不可逆损失小，加热过程改定压为定容，可以中、小型化；同时利用温差回收尾气余热来产生动力(或电力或冷量)。是一种间冷准等温大比压缩，等容加热，绝热(或回热)彻底膨胀，尾气余热得以回收利用的小体积、小重量、低造价、高热效、低噪音、低污染，性能价格比高的新型内燃机。

Description

内燃完全膨胀机

内燃完全膨胀机，属于热机技术领域。其实就是一种较汽、柴油机和燃气轮机更优越、更完善的发动机。

现有的内燃机主要是奥托(汽油)机、迪赛尔(柴油)机和燃气轮机，它们工作的热力循环均有缺陷，直接影响其热效率并产生高分贝噪音。

等容加热(燃烧)是奥托循环的优点，但压缩比小、绝热压缩、膨胀不彻底、等容放热(示功如图1)是其缺点，理论热效为

η₁＝1-ε^1-γ                                                           ①

压缩比大是迪赛尔循环的优点，但绝热压缩、等压加热(燃烧)、膨胀不彻底、等容放热(示功如图2)是其缺点，理论热效为

η₂＝1-ε^1-γ(ρ^γ-1)[γ(ρ-1)]^-1                                      ②

燃气轮机的优点是膨胀彻底、等压放热，但其加热完全是等压过程(示功如图3)，另是高速气流不可逆紊流损失大，其理论热效为

η₃＝1-ε^1-γ                                                          ③

还有一种等容、等压混和加热式高速柴油机，其理论热效为：

η₄＝1-ε^1-γ(λρ^γ-1)[λ-1+γλ(ρ-1)]^-1                              ④

本发明的任务是提供一种集以上热力循环的优点于一体，又避其缺点的发动机，目的为实现由等温压缩、等容加热、绝热完全膨胀、等压放热且尾气余热得以回收利用的热力主循环和附加的朗肯循环或温差电循环的热力过程；其热力循环(示功如图4)是：大压缩比等温压缩(1～2)，等容加热(2～3)，绝热膨胀(3～4)，等压放热(4～1)；且等压放热量又做为附加郎肯循环(或温差电循环或吸收式制冷循环)的加热量得以利用，其综合理论热效为

η₅＝η₅₁+η₅₂

＝{1-γ[ε^1/γ-1λ^1/γ-1+(1-1/γ)lnε](λ-1)^-1}+

+{γ(1-ε^1-1/γλ^-1/γ)[ε¹/^γ-1λ^1/γ-1+(1-1/γ)lnε](λ-1)^-1}

＝1-γε^1-1/γλ^-1/γ[ε^1/γ-1λ^1/γ-1+(1-1/γ))lnε](λ-1)^-1           ⑤

当燃烧终温受材料耐温能力所限或燃料燃烧温度所限而取定时，取ε＝λ^1/(γ-1)，则η₅＝η₅₁＝1-lnλ/(γ-1 )，η₅₂＝0，膨胀终温等于压缩初温，这时可取消附加的朗肯循环。

若加热(燃烧)为等容、等压混合过程，则综合理论热效为

η_5pv＝η_51pv+η_52pv

＝{1-γ[ε^1/γ-1λ^1/γρ-1+(1-1/γ)lnε][λ-1+γλ(ρ-1)]^-1}

+{γ(1-ε^1-1/γλ^-1/γρ^-1)(ε^1/γ-1λ^1/γρ-1+(1-1/γ)lnε][λ-1+γλ(ρ-1)]^-1}

＝1-γε^1-1/γλ^-1/γρ-1[ε^1/γ-1λ^1/γρ-1+(1-1/γ)lnε][λ-1+γλ(ρ-1)]^-1    ⑥

以上各式中，γ为绝热指数，ε为压缩比，λ为等容升压比，ρ为等压预胀比。

在相同气象(气压、气温、湿度等)条件、相同压缩比、相同加热量时，该循环热效的第一项就比其他循环的热效均高，即

η₅₁＝{1-γ[ε^1/γ-1λ^1/γ-1+(1-1/γ)lnε](λ-1)^-1＞η_51pv＝

η_51pv＝{1-γ[ε^1/γ-1λ^1/γρ-1+(1-1/γ)lnε][λ-1+γλ(ρ-1)]^-1}＞η₁，η₂，η₃，η₄；

而且因为是间热准等温压缩，可加大压缩比，从而使热效η₅₁进一步增大，又有附加朗肯循环的热效η₅₂，故热效可大幅提高(理论提高量一般为11～17个百分点)，节能率可观(一般在35～68％)；由于等功率能耗大幅度降低，而且燃烧彻底，故对环境的污染也相应大幅度降低；同时因为膨胀彻底，微压排气，可实现超低噪音运行。

为实现上述热力循环，本发明的技术解决方案是：内燃完全膨胀机，包括：多级间冷涡卷式压缩机(1)、涡卷式燃烧膨胀机(2)、曲轴(3)、机壳(4)、间热器(5)以及涡卷式朗肯机(7)，其特征在于多级间冷涡卷式压缩机(1)的固装一组动涡圈的动涡盘(11)和涡卷式燃烧膨胀机(2)的固装一组动涡圈的动涡盘(21)各连接在曲轴(3)两端的曲柄(31、32)上做不自传的公转，曲轴(3)的中部设动力输出齿轮(33)，分别固装一组静涡圈的两个静涡盘(12、22)均固装于机壳(4)内，各动涡圈与其相应的静涡圈密切配合；间冷器(13)设于各压缩级之间，间热器(5)前通末级压缩腔出口，后通燃烧膨胀机的燃烧室(24)，燃烧室(24)后依次接通燃烧膨胀机(2)各级膨胀涡盘(21、22)上的各组动、静涡圈组成的膨胀腔，末级膨胀腔之后接通涡卷式朗肯机(7)的加热器(74)的热源入口；主循环的燃料在压缩之前或多级压缩之间加入到参与燃烧的空气中进行蒸发、混合；燃烧膨胀机(2)的总膨胀比大于压缩机(1)的总压缩比。

其第二特点是多级间冷涡卷压缩机(1)的动、静涡盘(11、12)的涡圈和燃烧膨胀机(2)的动、静涡盘(21、22)的超温段涡圈和部位均成中空且内表起伏，以利于通液冷却。

其第三特点是涡卷式朗肯机(7)的动涡盘(71)通过曲轴(72)与输液泵(73)的转子联动；其加热器(74)的热源入口接通燃烧膨胀机的末级出口，后通排气消音器，而工质腔前通输液泵(73)的出口，后通由动涡盘(71)和静涡盘(75)的动、静涡圈(711、751)构成的气体膨胀腔之入口。

温差电堆或吸收式制冷机的得热量(热源)也直接来自尾气。

其工作原理是：空气(或油气混合气)进入压缩机(1)被压缩的同时也通过涡卷压缩机的动、静涡盘(11、12)以及各压缩级之间的间冷器(13)向冷却液放热，然后经间热器(5)的盘管(51)等压吸热后经单向阀(6)至燃烧膨胀机(2)的燃烧室(24)，单向阀(6)关闭后，火花塞(9)放电使燃烧引始，并在瞬间完成，气体温、压陡然高升，高温高压的燃气在膨胀涡盘(21、22)之间得到膨胀对外作功后进入间热器(5)外腔(53)向盘管(51、75)放热后排出；朗肯机(7)的工质经盘管式加热器(75)吸热蒸发升压后进入膨胀动、静涡盘(71、72)之间降压降温对外作功，再到放热(冷凝)器(76)对外放热冷凝，由输液泵(74)加压后再进入加热(蒸发)器(75)完成附加循环。

温差电过程和吸收式制冷过程叙述从略。

实际主循环过程中，压缩(1～2)过程不可能完全等温(多方指数n＞1)，压缩后又有等压回热(2～3)过程，加热多少会有等压(4～5)过程，膨胀(5～6)过程可能要对冷却液放热(多方指数m＜γ)，应尽可能使n趋近于1，使m趋近于γ(示功如图5)；实际附加循环中热力完善度也小于1，故综合热效

η_5pv＝η_51pv+η_52pv

＝{1-γε^1-n[ε^n/m-1λ^1/mρ-1+(1-1/γ)lnε][λ-1+γλ(ρ-1)]^-1}+η_52pv⑦

内燃完全膨胀机可用汽油或石油气以及其它可燃气体做为燃料，也可燃用柴油等不易汽化的燃料。

燃用汽油或气体燃料时，在压缩之前使燃料气体和空气混合，由于其多级压缩和多级膨胀的结构特长，相邻的压缩级之间设有冷却器，使末级压缩之后已被大压缩比压缩的混合气体温度仍未达到燃烧点(例如单级压缩比为4，中间冷却的双级压缩的总压缩比则大于16，因为有中间等压冷却的缩容，但末级压缩之后的混合气体温度仍然低于其燃烧点)，经单向阀门后进入燃烧室，单向阀门关闭后，火花塞的引燃，使之在燃烧室容积变化很小的短时间内燃烧完毕，压力和温度陡然高升(近似为等容加热过程)，然后在较大总膨胀比(较总压缩比为大)的多级涡卷(涡旋)膨胀腔内膨胀到接近外界大气压力(这时燃烧室内气压降低，准备迎接下一个循环来自压缩机的混合气体)，尾气经涡卷(涡旋)式朗肯机的加热(蒸发)器排出。完成了间冷大比压缩、等容燃烧、绝热完全膨胀、尾气余热得以回收利用的高效循环。

燃用柴油等不易汽化的燃料时，是以喷油嘴将燃油喷射到首级压缩之后(如压缩为两级，就喷射到两级压缩之间)的冷却器始端，一边在前级压缩以后有一定温升的空气中吸热蒸发、气体燃料与空气混合且继续向外放出多余的显热，一边流送到下一级继续压缩并且继续混合，使末级压缩之后已被大压缩比压缩的混合气体温度仍未达到燃烧点(例如单级压缩比为3.5，中间冷却的三级压缩的总压缩比则大于42.875，因为有中间等压冷却的缩容，但末级压缩之后的混合气体温度仍然低于其燃烧点)，单向阀门关闭后，经火花塞的引燃，在燃烧室容积变化很小的短时间内燃烧完毕，压力和温度陡然高升(近似为等容加热过程)，然后在较大总膨胀比(较总压缩比为大)的多级涡卷(涡旋)膨胀腔内膨胀到接近外界大气压力(这时燃烧室内气压降低，准备迎接下一个循环来自压缩机的混合气体)，尾气经涡卷(涡旋)式朗肯机的加热(蒸发)器排出。同样完成了间冷大比压缩、等容燃烧、绝热完全膨胀、尾气余热得以回收利用的高效循环。

可见，对于内燃完全膨胀机来说，燃料的性质对整个循环过程的影响并不大。这是其特长之一。

由汽、柴油机改制的内燃完全膨胀机(如图6)工作时，具有一定压力、较高温度的发动机(8)尾气流经换热器(75)放热给朗肯机(7)的工质后进入膨胀机(2)降压降温对外做功后排出；朗肯机(7)的工作过程与上述相同。

本机收回的动力、电力(或冷量)可直接用于空调，或馈回发动机、电瓶。

实现所述内燃完全膨胀机热力循环的方案是前所未有的。以往的内燃机主要有往复活塞式(如汽油机、柴油机)和透平式(燃气轮机)，而内燃完全膨胀机是以多级涡卷(又称涡旋)式机(1、2)对气体进行相应的压缩、膨胀，且各压缩级之间可以方便地装设中间冷却器(间冷器13)用以对已升温的压缩气体进行降温。

由于内燃完全膨胀机全新的结构和工作方式，其热力循环比汽油机(奥托)循环、柴油机(迪赛尔)循环以及燃气轮机的热力循环都优越。

内燃完全膨胀机效率高：一是由于在同等压缩比时，内燃完全膨胀机的热效率最高，压缩过程的“冷却”、燃烧过程的“等容”、膨胀过程的“完全”促成了其效率的大幅提高；二是由于内燃完全膨胀机的多级压胀，其压缩比可以方便地大幅提高(压缩比越大，热效率越高)；三是由于热强利料的使用，内燃完全膨胀机的膨胀过程更接近绝热膨胀。

内燃完全膨胀机运转平稳：一是由于它没有活塞等往复运动的零、部件；二是由于其多级涡卷(涡旋)式压缩、膨胀的结构特点，气体在一组压缩或膨胀涡旋体中的压缩、膨胀过程，需要主轴旋转一周以上才能完成；而且涡旋体的安装相位角度容易调整，压缩与膨胀的力矩峰值同时出现；力矩峰谷互补。

内燃完全膨胀机噪音低：一是由于它没有气门等的碰撞噪音；二是由于它的燃气膨胀完全，微压排气；三是排气所经过的涡卷(涡旋)式朗肯机之加热(蒸发)器起到了一定的阻性、抗性消音的作用。

内燃完全膨胀机污染小：一是由于其燃烧室相对较长，燃料燃烧比较彻底；二是由于其热效率高，等功率燃油消耗低。

内燃完全膨胀机功率体积比大、功率重量比大：一是由于其结构特点(零、部件总数少，结构紧凑)；二是由于其热效率高；三是由于其运转平稳，转速可以相应提高。

内燃完全膨胀机在现有的条件下，可以实现大批量生产。金属间化合物、工程陶瓷等热强材料和数控铣床、数控磨床、粉末冶金等加工设备的国产化和现代化，以及燃油、燃气动力设备国内、国际的大量需求，完全可以使较其它内燃机热效率高、噪音小、污染低、功率体积比大、功率重量比大、性能价格比高的全新的内燃机——内燃完全膨胀机大批量产销，甚至推向国际市场。

Claims (3)

1.内燃完全膨胀机，包括：多级间冷涡卷式压缩机(1)、涡卷式燃烧膨胀机(2)、曲轴(3)、机壳(4)、间热器(5)以及涡卷式朗肯机(7)，其特征在于多级间冷涡卷式压缩机(1)的固装一组动涡圈的动涡盘(11)和涡卷式燃烧膨胀机(2)的固装一组动涡圈的动涡盘(21)各连接在曲轴(3)两端的曲柄(31、32)上做不自传的公转，曲轴(3)的中部设动力输出齿轮(33)，分别固装一组静涡圈的两个静涡盘(12、22)均固装于机壳(4)内，各动涡圈与其相应的静涡圈密切配合；间冷器(13)设于各压缩级之间，间热器(5)前通末级压缩腔出口，后通燃烧膨胀机的燃烧室(24)，燃烧室(24)后依次接通燃烧膨胀机(2)各级膨胀涡盘(21、22)上的各组动、静涡圈组成的膨胀腔，末级膨胀腔之后接通涡卷式朗肯机(7)的加热器(74)的热源入口；主循环的燃料在压缩之前或多级压缩之间加入到参与燃烧的空气中进行蒸发、混合；燃烧膨胀机(2)的总膨胀比大于压缩机(1)的总压缩比。

2.根据权利要求1所述“内燃完全膨胀机”，其特征在于多级间冷涡卷压缩机(1)的动、静涡盘(11、12)的涡圈和燃烧膨胀机(2)的动、静涡盘(21、22)的超温段涡圈和部位均成中空且内表起伏，以利于通液冷却。

3.根据权利要求1所述“内燃完全膨胀机”，其特征在于涡卷式朗肯机(7)的动涡盘(71)通过曲轴(72)与输液泵(73)的转子联动；其加热器(74)的热源入口接通燃烧膨胀机的末级出口，后通排气消音器，而工质腔前通输液泵(73)的出口，后通由动涡盘(71)和静涡盘(75)的动、静涡圈(711、751)构成的气体膨胀腔之入口。

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