CN106560603A - 门控同缸u流活塞热动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种门控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构和工质腔，在所述活塞气缸机构的同一个工质包络上设进气门、供气门、气体工质充入门和排气门，所述工质包络的内部空间经所述供气门与所述工质腔连通，所述工质腔经所述气体工质充入门与所述工质包络的内部空间连通，所述进气门、所述供气门、所述气体工质充入门和所述排气门的部分或全部受控制系统控制，所述活塞气缸机构的充气关闭滞后角大于供气开启提前角，在所述工质腔内设置燃烧室或所述工质腔设为燃烧室。本发明的所述门控同缸U流活塞热动力系统热效率高、污染排放少。

Description

门控同缸U流活塞热动力系统

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种热动力系统。

背景技术

传统活塞式热动力系统(即内燃机)的燃烧室内的燃烧时间过短，容易形成污染物，而且由于燃烧不完全会使部分燃料的放热在低压情况下进行而严重影响热效率。因此需要发明一种门控同缸U流活塞热动力系统。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：

一种门控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构和工质腔，在所述活塞气缸机构的同一个工质包络上设进气门、供气门、气体工质充入门和排气门，所述工质包络的内部空间经所述供气门与所述工质腔连通，所述工质腔经所述气体工质充入门与所述工质包络的内部空间连通，所述进气门、所述供气门、所述气体工质充入门和所述排气门的部分或全部受控制系统控制，所述活塞气缸机构的充气关闭滞后角大于供气开启提前角，在所述工质腔内设置燃烧室或所述工质腔设为燃烧室。

进一步可选择地，所述进气门、所述供气门、所述气体工质充入门和所述排气门设置在所述活塞气缸机构的气缸盖上。

进一步可选择地，在所述供气门处设置扰流机构。

进一步可选择地，所述供气门和所述气体工质充入门设为外开式或设为内开式。

进一步可选择地，所述供气门和/或所述气体工质充入门设为VVT、VVTI或设为VVL。

一种门控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构和工质腔，在所述活塞气缸机构的同一个工质包络上设进气门、供气充气门和排气门，所述工质包络的内部空间经所述供气充气门与所述工质腔连通，所述进气门、所述供气充气门和所述排气门的部分或全部受控制系统控制，所述活塞气缸机构的充气关闭滞后角大于供气开启提前角，在所述工质腔内设置燃烧室或所述工质腔设为燃烧室。

进一步可选择地，所述进气门、所述供气充气门和所述排气门设置在所述活塞气缸机构的气缸盖上。

进一步可选择地，在所述供气充气门处设置扰流机构。

进一步可选择地，所述供气充气门设为外开式或设为内开式。

进一步可选择地，所述供气充气门设为VVT、VVTI或设为VVL。

进一步可选择地，在所述活塞气缸机构的气缸上和/或在所述工质腔上设置燃料入口。

进一步可选择地，在所述供气门的所述工质腔一侧设置燃料入口。

进一步可选择地，在所述供气充气门的所述工质腔一侧设置燃料入口。

进一步可选择地，所述活塞气缸机构供气冲程开始时所述活塞气缸机构的气缸内的气体压力大于5MPa、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、15.5MPa、16.0MPa、16.5MPa、17.0MPa、17.5MPa、18.0MPa、18.5MPa、19.0MPa、19.5MPa或大于20.0MPa。

进一步可选择地，所述活塞气缸机构供气冲程开始时所述活塞气缸机构的气缸内的气体压力比所述工质腔内的气体压力大0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa、0.9MPa或大1.0MPa。

进一步可选择地，所述燃烧室设为正时燃烧室或设为非正时燃烧室。

进一步可选择地，所述燃烧室设为连续燃烧室。

进一步可选择地，所述排气门与附属活塞气缸机构连通，所述附属活塞气缸机构按照充气膨胀做功冲程-排气冲程的二冲程工作模式工作。

对于设置了所述附属活塞气缸机构的结构中，进一步可选择地，所述进气门与叶轮压气机的压缩气体出口连通和/或所述附属活塞气缸机构的排气门与透平的工质入口连通。

对于未设置所述附属活塞气缸机构的结构中，进一步可选择地，所述进气门与叶轮压气机的压缩气体出口连通和/或所述排气门与透平的工质入口连通。

进一步可选择地，所述活塞气缸机构设为往复式活塞气缸机构或设为转子式活塞气缸机构，或进一步可选择地，所述活塞气缸机构设为对置往复活塞气缸机构。

进一步可选择地，两个以上所述活塞气缸机构与一个所述工质腔对应设置。

进一步可选择地，所述门控同缸U流活塞热动力系统包括两个以上所述工质腔，或进一步可选择地，所述门控同缸U流活塞热动力系统包括两个以上所述工质腔，至少两个所述工质腔经连通通道连通。

进一步可选择地，所述工质腔的容积大于所述活塞气缸机构的供气容积。

进一步可选择地，所述活塞气缸机构的供气压缩比大于10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24或大于25。

进一步可选择地，在与所述活塞气缸机构的所述进气门连通的进气道上设深冷单元，降低进气气温，更进一步可选择地，所述深冷单元设为液化空气混合式深冷单元。

进一步可选择地，所述活塞气缸机构按照吸气冲程-压气供气冲程-充气做功冲程-排气冲程四冲程工作模式工作，或按照进气扫气压气供气冲程-充气做功冲程二冲程工作模式工作。

在本发明中，可选择性地选择，与所述进气门、所述排气门、所述气体工质充入门、所述供气门或所述供气充气门对应的进气口、排气口、气体工质充入口、供气口或供气充气口可设在缸盖上，也可设在气缸的侧壁上。

在本发明中，可选择性地选择，一个所述工质腔可与一个所述活塞气缸机构对应，也可一个所述工质腔与两个以上所述活塞气缸机构对应。

本发明中，可选择性地选择，所谓的工质包络是指由活塞和与所述活塞相配合的腔体所构成的容纳气体工质的空间的壁，例如由活塞、气缸和气缸盖构成的容纳气体工质的空间的壁，再例如由相互对置设置的两个活塞和气缸构成的容纳气体工质的空间的壁，还例如由两个以上相互对置设置的活塞、与每个活塞相配合的气缸以及连通这些所述气缸的气缸连通腔体构成的容纳气体工质的空间的壁。

本发明中，可选择性地选择，所谓的空间的壁是指容纳气体工质的空间内气体工质所接触到的物体，包括固定的物体例如气缸和气缸盖，也包括活动的物体例如活塞。

本发明中，可选择性地选择，所谓的进气门、供气门、排气门和供气充气门设在气缸上，是指这些气门可以设在气缸的侧壁上，可以设置在气缸盖上，可以分散设置在气缸的侧壁和气缸盖上，或者还可以分散设置在气缸的侧壁上、气缸盖上和活塞上。显然，在所述活塞气缸机构设为不包含气缸盖的对置活塞气缸机构的结构中，所述进气门、所述供气门、所述排气门和所述供气充气门只能设置在气缸的侧壁或活塞上。

本发明中，可选择性地选择，所谓的工质腔是指一切能够承受一定压力的容器，例如可以容纳气体的压力容器、燃烧室等。

本发明中，可选择性地选择，所谓的连续燃烧室是指燃料在其中能够连续燃烧的燃烧室。

本发明中，可选择性地选择，可以设置两个以上所述活塞气缸机构构成多缸发动机。

本发明中，可选择性地选择，所谓的气门是指由通道和将此通道打开和关闭的启闭结构体构成的机构，例如传统内燃机的(内开)气门，以及外开气门、受控喷嘴、阀门和受控阀门等。

本发明中，可选择性地选择，所谓的外开式气门是指所述气门打开时是向远离气缸的方向运动，传统的发动机气门是内开式的，即气门打开时是向气缸的方向运动。

本发明中，可选择性地选择，所谓的进气门是指控制气体进入所述气缸的气门；所谓的供气门是指控制压缩气体流出所述气缸的气门(相当于传统活塞式气体压缩机的排气门)；所谓的充气门是指控制所述工质腔内的高压气体工质充入所述气缸的气门；所谓的排气门是指控制膨胀做功后的乏气从气缸内流出的气门；所谓的供气充气门是指既具有控制从所述气缸向所述工质腔供气又具有控制从所述工质腔向所述气缸充气功能的气门。

本发明中，可选择性地选择，所述活塞气缸机构按照吸气冲程-压气供气冲程-充气做功冲程-排气冲程的四冲程工作模式工作。

本发明中，可选择性地选择，通过对所述进气门、所述供气门、所述排气门和所述气体工质充入门的正时控制使所述门控同缸U流活塞热动力系统处于吸气冲程时只有所述进气门开启，处于压气供气冲程时只有所述供气门可开启(此所述供气门相当于活塞式压气机的排气门，一般说来此气门多为逆止阀)，处于充气做功冲程时所述气体工质充入门开启一段时间后关闭实现由所述连续燃烧室向所述气缸充入气体工质，处于排气冲程时只有所述排气门开启，之后进入下一个循环；或通过对所述进气门、所述供气充气门和所述排气门的正时控制使所述门控同缸U流活塞热动力系统处于吸气冲程时只有所述进气门开启，处于压气供气冲程时只有所述供气充气门可开启，处于充气做功冲程时所述供气充气门开启一段时间后关闭实现由所述连续燃烧室向所述气缸充入气体工质，处于排气冲程时只有所述排气门开启，之后进入下一个循环。

本发明中，可选择性地选择，所谓的U流是指空气经压缩流出气缸之后又流回所述气缸的一种结构。

本发明中，可选择性地选择，所谓的活塞热动力系统是指一切由燃料的化学能转化为机械能的活塞式动力系统。

本发明中，可选择性地选择，可通过控制气门的开启和关闭相位，实现压缩比可调。

本发明中，可选择性地选择，所谓的燃料是指一切化学燃烧意义上能和氧发生剧烈的氧化还原反应的物质，可以是气体、液体或固体，在这里主要包括汽油、柴油、天然气、丙烷、酒精、氢气、液化燃料和煤气等。所谓的液化燃料是指被液化的在常温常压状态下为气态的燃料。

在本发明中，可选择性地选择，在设有所述供气门和所述气体工质充入门的结构中，应提前开启所述气体工质充入门(但要滞后于所述供气门开启)，以减少气体工质流经所述气体工质充入门的流动阻力。

本发明中，可选择性地选择，所述活塞气缸机构的充气关闭滞后角大于供气开启提前角的目的是为了减少所述工质腔的压力波动，而且使燃料放热压力平均值提高，进而提高系统的热功转换效率。

本发明中，可选择性地选择，所述供气充气门开启后维持开启状态直至充气完了时关闭。

本发明中，可选择性地选择，所述供气充气门供气开始时开启，供气完了时关闭，充气开始时开启，充气完了时关闭。

本发明中，可选择性地选择，所谓的吸气冲程是指活塞从上止点运动到下止点、只有进气门可开启，进行吸气的过程。

本发明中，可选择性地选择，所谓的压气供气冲程是指活塞从下止点运动到上止点、只有所述供气门可开启(此时所述供气门相当于活塞式压气机的排气门，一般说来此气门多为逆止阀)，进行压气和向所述工质腔供气的过程；或是指活塞从下止点运动到上止点、只有所述供气充气门可开启，进行压气和向所述工质腔供气的过程。

本发明中，可选择性地选择，所谓的充气做功冲程是指活塞从上止点运动到下止点、只有所述气体工质充入门开启一段时间后关闭，其余气门均处于关闭状态，进行经过燃烧的气体由所述工质腔向所述气缸充入，并在所述气缸内膨胀推动所述活塞下行做功的过程；或是指活塞从上止点运动到下止点、只有所述供气充气门开启一段时间后关闭，其余气门均处于关闭状态，进行经过燃烧的气体由所述工质腔向所述气缸充入，并在所述气缸内膨胀推动所述活塞下行做功的过程。

本发明中，可选择性地选择，所谓的排气冲程是指活塞从下止点运动到上止点、只有所述排气门可开启，进行废气从气缸中排出的过程。

本发明中，可选择性地选择，所谓的冲程是指从上止点至下止点或从下止点至上止点活塞运动的过程。

本发明中，可选择性地选择，所谓的活塞气缸机构是指含有气缸和活塞的机构；一个所述气缸可以与一个或两个以上所述活塞相配合。

在本发明中，可选择性地选择，所述工质腔内的容积应足够大，在稳定工作状态下所述工质腔内的容积至少应大于每次经供气门(或供气充气门)进入所述工质腔内压缩气体体积，以减少所述工质腔内气体工质的压力波动。

本发明中，可选择性地选择，所谓供气充气门是指既可以控制压缩气体从所述气缸进入所述工质腔，又可以控制高压气体工质(或高温高压燃气工质)从所述工质腔进入所述气缸的同一个气门。

本发明中，可选择性地选择，所述液化空气混合式深冷单元是指液化空气与进气混合对进气进行冷却的深冷单元。

本发明中，可选择性地选择，所谓的正时控制系统其实质是控制各个气门、供油系统和点火系统(在燃料需要点火时)等正时工作使所述门控同缸U流活塞热动力系统按设定的工作循环工作的控制系统。

可选择性地选择，本发明的控制系统(3)可以是机械控制系统(比如凸轮控制系统)、液压控制系统或电磁控制系统，或者它们的各种组合形成的控制系统。

本发明中，可选择性地选择，所谓的热动系统和发动机是等同的。

本发明中，应根据公知技术在必要的地方设置部件、单元和系统，例如需要点燃燃料时可在需要的地方比如在所述工质腔和/或连续燃烧室上设有点火装置等。

本发明的有益效果如下:

本发明的所述门控同缸U流活塞热动力系统热效率高、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3的结构示意图；

图3所示的是本发明实施例4的结构示意图；

图4所示的是本发明实施例5的结构示意图；

图5所示的是本发明实施例7的结构示意图；

图6至图20所示的是本发明实施例8及其可变换实施方式的结构示意图；

其中：

1活塞气缸机构、2工质腔、3控制系统、4进气门、5供气门、6排气门、7气体工质充入门、8扰流机构、9供气充气门、10燃料入口、11附属活塞气缸机构、12叶轮压气机、13透平、14深冷单元。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的门控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构1和工质腔2，在所述活塞气缸机构1的同一个工质包络上设进气门4、供气门5、气体工质充入门7和排气门6，所述工质包络的内部空间经所述供气门5与所述工质腔2连通，所述工质腔2经所述气体工质充入门7与所述工质包络的内部空间连通，所述进气门4、所述供气门5、所述气体工质充入门7和所述排气门6的部分或全部受控制系统3控制，所述活塞气缸机构1的充气关闭滞后角大于供气开启提前角，在所述工质腔2内设置燃烧室或所述工质腔2设为燃烧室。

实施例2

一种门控同缸U流活塞热动力系统，其在实施例1的基础上，进一步将所述进气门4、所述供气门5、所述气体工质充入门7和所述排气门6设置在所述活塞气缸机构1的气缸盖上。

实施例3

如图2所示的门控同缸U流活塞热动力系统，其在实施例1的基础上，进一步在所述供气门5处设置扰流机构8。

实施例4

如图3所示的门控同缸U流活塞热动力系统，其在实施例1的基础上，进一步将所述供气门5和所述气体工质充入门7设为外开式或设为内开式。

实施例5

如图4所示的门控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构1和工质腔2，在所述活塞气缸机构1的同一个工质包络上设进气门4、供气充气门9和排气门6，所述工质包络的内部空间经所述供气充气门9与所述工质腔2连通，所述进气门4、所述供气充气门9和所述排气门6的部分或全部受控制系统3控制，所述活塞气缸机构1的充气关闭滞后角大于供气开启提前角，在所述工质腔2内设置燃烧室或所述工质腔2设为燃烧室。

实施例6

一种门控同缸U流活塞热动力系统，其在实施例5的基础上，进一步将所述进气门4、所述供气充气门9和所述排气门6设置在所述活塞气缸机构1的气缸盖上。

实施例7

如图5所示的门控同缸U流活塞热动力系统，其在实施例5的基础上，进一步在所述供气充气门9处设置扰流机构8。

实施例8

如图6所示的门控同缸U流活塞热动力系统，其在实施例5的基础上，进一步将所述供气充气门9设为外开式或设为内开式。

作为可以变换地实施方式(如图7至图10所示的门控同缸U流活塞热动力系统)，上述所有实施方式中，可选择性地在所述活塞气缸机构1的气缸上和/或在所述工质腔2上设置燃料入口10，或在设有所述供气门5的实施方式中，可选择性地在所述供气门5的所述工质腔2一侧设置燃料入口10，或在设有所述供气充气门9的结构中，可选择性地在所述供气充气门9的所述工质腔2一侧设置燃料入口10。

作为可以变换地实施方式，上述所有实施方式中，可选择性设置所述活塞气缸机构1供气冲程开始时所述活塞气缸机构1的气缸内的气体压力大于5MPa、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、15.5MPa、16.0MPa、16.5MPa、17.0MPa、17.5MPa、18.0MPa、18.5MPa、19.0MPa、19.5MPa或大于20.0MPa。

作为可以变换地实施方式，上述所有实施方式中，可选择性设置所述活塞气缸机构1供气冲程开始时所述活塞气缸机构1的气缸内的气体压力大于所述工质腔2内的气体压力。

作为可以变换地实施方式，上述所有实施方式中，可选择性将所述燃烧室设为正时燃烧室或设为非正时燃烧室，或选择性地将所述燃烧室设为连续燃烧室。

作为可以变换地实施方式(如图11所示的门控同缸U流活塞热动力系统)，上述所有实施方式中，可选择性将所述排气门6与附属活塞气缸机构11连通，所述附属活塞气缸机构11按照充气膨胀做功冲程-排气冲程的二冲程工作模式工作。

作为可以变换地实施方式，本发明的上述所有实施方式中的技术要素在不冲突的情况下可以相互组合。

对于上述所有设置了所述附属活塞气缸机构11的实施方式中，作为可以变换地实施方式(如图12所示的门控同缸U流活塞热动力系统)，所述进气门4与叶轮压气机12的压缩气体出口连通和/或所述附属活塞气缸机构11的排气门6与透平13的工质入口连通。

对于上述所有未设置所述附属活塞气缸机构11的实施方式中，作为可以变换地实施方式，所述进气门4与叶轮压气机12的压缩气体出口连通和/或所述排气门6与透平13的工质入口连通。

作为可以变换地实施方式，本发明的上述所有实施方式中，均可以选择性地将所述活塞气缸机构1设为往复式活塞气缸机构或设为转子式活塞气缸机构(如图13、图14所示的门控同缸U流活塞热动力系统)，或将所述活塞气缸机构1设为对置往复活塞气缸机构(如图15、图16所示的门控同缸U流活塞热动力系统)。

作为可以变换地实施方式(如图17所示的门控同缸U流活塞热动力系统)，本发明的上述所有实施方式中，均可以选择性地将两个以上所述活塞气缸机构1与一个所述工质腔2对应设置。

作为可以变换地实施方式(如图18、图19所示的门控同缸U流活塞热动力系统)，本发明的上述所有实施方式中，均可以选择性地设置所述门控同缸U流活塞热动力系统包括两个以上所述工质腔2，或选择性地设置所述门控同缸U流活塞热动力系统包括两个以上所述工质腔2，至少两个所述工质腔2经连通通道连通。

作为可以变换地实施方式，本发明的上述所有实施方式中，均可以选择性地设置所述工质腔2的容积大于所述活塞气缸机构1的供气容积。

作为可以变换地实施方式，本发明的上述所有实施方式中，均可以选择性地设置所述活塞气缸机构1的供气压缩比大于10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24或大于25。

作为可以变换地实施方式(如图20所示的门控同缸U流活塞热动力系统)，本发明的上述所有实施方式中，均可以选择性地在与所述活塞气缸机构1的所述进气门4连通的进气道上设深冷单元14，降低进气气温，还可以选择性地将所述深冷单元14设为液化空气混合式深冷单元。

作为可以变换地实施方式，本发明的上述所有实施方式中，均可以选择性地设置所述活塞气缸机构1按照吸气冲程-压气供气冲程-充气做功冲程-排气冲程四冲程工作模式工作，或按照进气扫气压气供气冲程-充气做功冲程二冲程工作模式工作。

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)

1.一种门控同缸U流活塞热动力系统，包括活塞气缸机构(1)和工质腔(2)，其特征在于：在所述活塞气缸机构(1)的同一个工质包络上设进气门(4)、供气门(5)、气体工质充入门(7)和排气门(6)，所述工质包络的内部空间经所述供气门(5)与所述工质腔(2)连通，所述工质腔(2)经所述气体工质充入门(7)与所述工质包络的内部空间连通，所述进气门(4)、所述供气门(5)、所述气体工质充入门(7)和所述排气门(6)的部分或全部受控制系统(3)控制，所述活塞气缸机构(1)的充气关闭滞后角大于供气开启提前角，在所述工质腔(2)内设置燃烧室或所述工质腔(2)设为燃烧室。

2.如权利要求1所述门控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述进气门(4)、所述供气门(5)、所述气体工质充入门(7)和所述排气门(6)设置在所述活塞气缸机构(1)的气缸盖上。

3.如权利要求1所述门控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：在所述供气门(5)处设置扰流机构(8)。

4.如权利要求2所述门控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：在所述供气门(5)处设置扰流机构(8)。

5.如权利要求1所述门控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述供气门(5)和所述气体工质充入门(7)设为外开式或设为内开式。

6.如权利要求2所述门控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述供气门(5)和所述气体工质充入门(7)设为外开式或设为内开式。

7.如权利要求3所述门控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述供气门(5)和所述气体工质充入门(7)设为外开式或设为内开式。

8.如权利要求4所述门控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述供气门(5)和所述气体工质充入门(7)设为外开式或设为内开式。

9.如权利要求1所述门控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述供气门(5)和/或所述气体工质充入门(7)设为VVT、VVTI或设为VVL。

10.如权利要求2所述门控同缸U流活塞热动力系统，其特征在于：所述供气门(5)和/或所述气体工质充入门(7)设为VVT、VVTI或设为VVL。