CN108087102A - 一种内燃机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内燃机系统,属于内燃机技术领域,包括:内燃机(1),其上设置进气口和排气口;第一涡轮(2),其入口连通到内燃机(1)的排气口;第一压气机(3),其入口连通大气,出口连通到内燃机(1)的进气口;第二涡轮(4),其入口连通到第一涡轮(2)的出口;冷却循环系统(5),其入口连接到第二涡轮(4)的出口;第二压气机(6),其入口连通到冷却循环系统(5)的出口,出口连通到大气;第一涡轮(2)通过第一轴系(7)与第一压气机(3)连接,用于驱动该第一压气机(3)进行压缩做功。第二涡轮(4)通过第二轴系(8)与第二压气机(6)连接,用于驱动该第二压气机(6)进行压缩做功。本发明采用逆勃雷登循环系统和冷却循环系统联合循环进行内燃机废气能量综合回收利用,提高了内燃机的能量利用效率,有利于内燃机节能减排。

Description

一种内燃机系统
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域,尤其涉及一种内燃机系统。
背景技术
内燃机在国民生产和生活中有着十分重要的作用。目前,绝大部分的车用和船用动力都是内燃机。内燃机消耗了大量的化石燃料,但是平均只有30%-40%的能量转化为机械能,有近60%-70%的能源在内燃机工作过程中以多种热量传递形式散发到大气中。其中,内燃机排放的废气能量约占总能量的30%。也就是说,内燃机真正利用的能量和排放的废气能量比例相当,这对能源造成了极大的浪费。对内燃机废气能量进行回收利用,不断提高能源的利用效率,是实现节能减排的重要手段,对全球经济的可持续发展具有重要的意义。
为解决上述问题,现有技术中采用涡轮增压回收利用内燃机废气能量是非常有效的技术手段,目前应用十分广泛。现有的绝大部分柴油机和40%左右的汽油机都采用了涡轮增压技术。现有技术的技术方案主要有下述几种:
1.方案一:如图1,是现有技术中被广泛使用的涡轮增压内燃机系统的结构示意图。其工作原理是:内燃机1排放的废气进入涡轮2膨胀做功,涡轮2通过轴系7输出功给压气机3,压气机3压缩空气,增加进气压力和密度,压缩后的气体进入换热器9冷却,降低进气温度,进一步增加进气密度,提高内燃机1的动力性。通过涡轮2的废气再经过后处理之后排到大气中。但在该方案中,经过涡轮2后排出的废气还有较高的温度,有一部分能量无法回收,对内燃机废气能量利用不足。
2.方案二:为了进一步利用方案一中涡轮2排出的废气能量,现有技术的技术方案是在方案一的基础上在涡轮2后增加一个涡轮增压系统,采用两级涡轮增压技术,该两级涡轮均用于进气增压,但这种方案不适用于内燃机功率需求不大的情况,并且两级增压系统与内燃机匹配更加复杂。同时,经过两级涡轮膨胀后的废气仍然具有一定的可回收利用的能量,这部分能量未被回收利用。
3.方案三:当单级涡轮增压就可以满足内燃机功率需求时,为避免系统匹配复杂,一般不会采用两级涡轮增压技术。而是在方案一的基础上,采用在涡轮2后增加动力涡轮的技术进一步回收内燃机的废气能量,但这种方案要求进入动力涡轮的气体压力高于大气压力,因此,当进入动力涡轮的废气压力接近大气压力时,动力涡轮的做功能力有限,无法进一步回收内燃机的废气能量。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种内燃机系统。利用两个涡轮分别驱动两个压气机转动,其中一个涡轮和一个压气机组成涡轮增压系统,回收利用内燃机的废气能量,提高了内燃机的动力性,另一个涡轮和另一个压气机用于组成逆勃雷登循环系统,进一步回收了内燃机的废气能量。逆勃雷登循环系统是将废气通入涡轮,在涡轮后接一个冷却装置和一个压气机,压气机出口是大气。废气经过涡轮膨胀做功后进入冷却装置冷却,再经压气机压缩至大气压排入大气,这个过程称为逆勃雷登循环。同时,逆勃雷登循环系统中的冷却装置为冷却循环系统,在冷却内燃机废气的同时,再进一步回收利用废气能量,解决了现有技术中内燃机的废气能量利用不足的问题,同时解决了现有技术中由于动力涡轮做功能力有限,无法进一步回收内燃机的废气能量的问题;通过逆勃雷登循环系统和冷却循环系统进一步回收利用废气能量,解决了现有技术中由于采用两级涡轮增压仍有部分废气能量无法回收利用,且不适用于内燃机功率需求不大的情况的问题。
(二)技术方案
为解决上述问题,本发明提供了一种内燃机系统,包括:内燃机,其上设置进气口和排气口;第一涡轮,其入口连通到所述内燃机的排气口;第一压气机,其入口连通大气,出口连通到所述内燃机的进气口;第二涡轮,其入口连通到所述第一涡轮的出口;冷却循环系统,其入口连接到所述第二涡轮的出口;第二压气机,其入口连通到所述冷却循环系统的出口,出口连通到大气;所述第一涡轮通过第一轴系与所述第一压气机连接,用于驱动该第一压气机进行压缩做功。所述第二涡轮通过第二轴系与所述第二压气机连接,用于驱动该第二压气机进行压缩做功。
进一步,所述第二涡轮通过所述第二轴系输出动力给动力装置。
进一步,所述动力装置为发电机或所述内燃机的曲轴。
进一步,所述内燃机系统还包括:中冷器,其入口连通到所述第一压气机的出口,出口连通到所述内燃机的进气口,用于冷却所述第一压气机排出的气体,并增大所述内燃机的进气密度。
进一步,所述中冷器为风冷或水冷的换热器。
进一步,所述冷却循环系统,其为朗肯循环系统,或朗肯循环系统与第一换热部件联合使用,或朗肯循环系统与热电转换部件联合使用,或朗肯循环系统、第一换热部件与热电转换部件联合使用,用于冷却所述第二涡轮排出的气体。
进一步,所述朗肯循环系统可以用有机朗肯循环系统替换。
进一步,所述朗肯循环系统或所述有机朗肯循环系统包括,:第二换热部件,其第一入口连通到所述第二涡轮的出口,第一出口连通到所述第二压气机的入口;汽轮机,其入口连通到所述第二换热部件的第二出口;第三换热部件,其入口连通到所述汽轮机的出口;泵,其入口连通到所述第三换热部件的出口,出口连通到所述第二换热部件的第二入口;所述汽轮机通过第三轴系输出动力;所述朗肯循环系统或有机朗肯循环系统用于冷却所述第二涡轮排出的气体,同时将吸收的热量转换成动力输出。
进一步,所述第一换热部件的入口连通到所述第二换热部件的第一出口,出口连通到所述第二压气机的入口,用于冷却所述第二涡轮排出的气体。
进一步,所述热电转换部件的入口连通到所述第二换热部件的第一出口,出口连通到所述第二压气机的入口,用于冷却所述第二涡轮排出的气体,并将吸收的热能转换成电能输出。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果:
本发明提供的一种内燃机系统,利用两个涡轮分别驱动两个压气机转动,其中一个涡轮和一个压气机组成涡轮增压系统,回收利用内燃机的废气能量,提高了内燃机的动力性,另一个涡轮和另一个压气机用于组成逆勃雷登循环系统,进一步回收了内燃机的废气能量。同时,加入冷却循环系统,冷却内燃机废气的同时,再进一步回收利用废气能量,解决了现有技术中内燃机的废气能量利用不足的问题,同时解决了现有技术中由于动力涡轮做功能力有限,无法进一步回收内燃机的废气能量的问题;通过逆勃雷登循环系统和冷却循环系统进一步回收利用废气能量,解决了现有技术中由于采用两级涡轮增压仍有部分废气能量无法回收利用,且不适用于内燃机功率需求不大的情况的问题。
本发明的内燃机系统,冷却循环系统用朗肯循环系统或有机朗肯循环系统,进一步回收废气能量。还可以利用朗肯循环系统或有机朗肯循环系统加上换热器或热电转换材料,增强冷却效果,同时热电转换材料还可以将吸收的热能转化为电能,进一步提高了内燃机的废气能量的回收利用率。
附图说明
图1是现有技术中涡轮增压内燃机系统的结构示意图;
图2是本发明实施例一提供的内燃机系统组成示意图;
图3是本发明实施例一提供的内燃机系统结构示意图;
图4是本发明实施例三提供的内燃机系统结构示意图;
图5是本发明实施例四提供的内燃机系统结构示意图;
图6是本发明实施例五提供的内燃机系统结构示意图;
附图标记:
1、内燃机,2、第一涡轮,3、第一压气机,4、第二涡轮,5、冷却循环系统,51、第一换热部件,52、热电转换部件,53、第二换热部件,54、汽轮机,55、第三换热部件,56、泵,57、第三轴系,6、第二压气机,7、第一轴系,8、第二轴系,9、中冷器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了,下面结合具体实施方式并参照附图,对本发明进一步详细说明。应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本发明的范围。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例一
图2是本发明实施例一提供的内燃机系统组成示意图。
图3是本发明实施例一提供的内燃机系统结构示意图。
请参照图2、图3,本发明提供一种内燃机系统,包括:内燃机1、第一涡轮2、第一压气机3、第二涡轮4、冷却循环系统5、第二压气机6、第一轴系7和第二轴系8。
内燃机1,其上设置进气口和排气口。内燃机1是一种动力机械,通过使燃料在内部燃烧,并将燃料燃烧放出的热能直接转换为动力的热力发动机。
第一涡轮2,其入口连通到内燃机1的排气口,内燃机1排放的高温高压废气进入第一涡轮2膨胀做功。
第一压气机3,其入口连通大气,出口连通到内燃机1的进气口,用于将大气压缩后送入内燃机1内部参与燃烧做功,提高了内燃机1的动力性。
第二涡轮4,其入口连通到第一涡轮2的出口,从第一涡轮2排放的废气进入第二涡轮4进一步膨胀做功。
冷却循环系统5,其入口连接到第二涡轮4的出口,用于冷却经过第二涡轮4的废气,并进一步回收能量。
第二压气机6,其入口连通到冷却循环系统5的出口,出口连通到大气,用于将经过冷却循环系统5的气体压缩后排出到大气中。
第一涡轮2通过第一轴系7与第一压气机3连接,用于驱动该第一压气机3进行压缩做功。第二涡轮4通过第二轴系8与第二压气机6连接,用于驱动该第二压气机6进行压缩做功。第二涡轮4通过第二轴系8输出动力给动力装置,用于向外进行动力输出。
可选的,动力装置为发电机或内燃机1的曲轴,但本发明不以此为限制,动力装置还可以为其他设备。
请参照图2,在本实施例中,内燃机系统还包括中冷器9,其入口连通到第一压气机3的出口,出口连通到内燃机1的进气口,用于冷却第一压气机3排出的气体,并增大内燃机1的进气密度。
请参照图3,可选的,中冷器9为风冷或水冷的换热器,但本发明不以此为限制。
请参照图3,在本实施例中,冷却循环系统为朗肯循环系统,包括第二换热部件53、汽轮机54、第三换热部件55、泵56和第三轴系57。
第二换热部件53的第一入口连通到第二涡轮4的出口,第一出口连通到第二压气机6的入口。
汽轮机54的入口连通到第二换热部件53的第二出口。
第三换热部件55的入口连通到汽轮机54的出口。
可选的,第三换热部件55为风冷或水冷的换热器,但本发明不以此为限制。
泵56的入口连通到第三换热部件55的出口,所述泵56的出口连通到第二换热部件53的第二入口。
汽轮机54通过第三轴系57输出动力。具体的,第三轴系57的一端与汽轮机54连接,另一端输出动力给外部的动力装置。
朗肯循环系统用于冷却第二涡轮4排出的气体,同时将吸收的热量转换成动力输出,进一步将内燃机1的废气能量进行回收利用,提高了能量的利用率。
下面介绍本发明的内燃机系统的工作原理:
请参照图3,内燃机1工作产生的废气进入第一涡轮2膨胀做功,第一涡轮2通过第一轴系7与第一压气机3相连。经过第一涡轮2的气体进入第二涡轮4,第二涡轮4通过第二轴系8与第二压气机6相连。
第一涡轮2通过第一轴系7驱动第一压气机3转动,压缩空气,使内燃机1的进气压力和密度增大,再经过中冷器9冷却之后,使内燃机1的进气密度进一步增大,有利于提高内燃机1的动力性。经过增压冷却后的空气进入内燃机1与燃料混合进行燃烧。
第二涡轮4通过第二轴系8驱动第二压气机6转动。第二压气机6的出口是大气环境,通过第二压气机6转动在其进口端可以形成真空环境。第二涡轮4的出口和第二压气机6的进口的压力几乎相等,只有经过管道和第二换热器53产生的压力损失,这部分损失很小,因此,第二涡轮4的出口端压力低于大气压。第一涡轮2出口的废气仍有较高的温度和压力,进入第二涡轮4膨胀至大气压以下,膨胀比较大,做功更多,即回收利用了更多的废气能量。经过第二涡轮4的废气通过第二换热器53进行冷却,气体温度降低。相同质量流量的内燃机废气经过第二涡轮4膨胀和第二压气机6压缩,由于进入第二压气机6的气体温度和压力远低于进入第二涡轮4气体的温度和压力,因此压缩气体的耗功会比较小。通过第二轴系8,将第二涡轮4产生的剩余的机械能进行输出,第二轴系8可以连接一个发电机和电池,将这部分能量以电能的形式储存,第二轴系8也可以连接内燃机1的曲轴,提高内燃机1的动力。同时,第二涡轮4和第二压气机6之间加入朗肯循环系统。具体的,泵56为朗肯循环系统的工质的流动提供动力,工质经过第二换热部件53,与从第二涡轮4排出的废气进行热交换。朗肯循环系统的工质被加热,废气被冷却。被加热后的工质进入汽轮机54,在汽轮机54中膨胀做功,做功产生的机械能通过第三轴系57输出。膨胀后的工质进入第三换热部件55冷却,再进入泵56进行循环。朗肯循环系统一方面对第二涡轮4排出的废气进行冷却,使得第二压气机压缩废气耗功减少;同时也将这部分废气的热量进一步回收利用,提高了能量利用率。
实施例二
本实施例与实施例一的不同之处在于,采用有机朗肯循环系统代替朗肯循环系统。
有机朗肯循环系统和朗肯循环系统的结构、组成以及工作原理均相同,区别仅在于,朗肯循环系统中的循环工质为水,有机朗肯循环系统中的循环工质为有机物。
本实施例中的其它部分的结构及连接关系与实施例一中的相同,在此不再赘述。
实施例三
请参照图4,本实施例与实施例一的不同之处在于,本实施例中的冷却循环系统5是将第一换热部件51和实施例一中的朗肯循环系统进行结合,即同时采用第一换热部件51和朗肯循环系统对第二涡轮4排出的气体进行冷却,在增加冷却效果的同时,将第二换热部件53吸收的热量进行进一步的回收利用,以提高能量的利用率。
请参照图4,具体的,第二涡轮4排出的气体,先经过朗肯循环系统中的第二换热部件53,再经过第一换热部件51连通到第二压气机6的入口,即第二换热部件53的第一入口连通到第二涡轮4的出口,第一出口连通到第一换热部件51。
本发明不以此为限制,第二涡轮4排出的气体,也可以先经过第一换热部件51,再经过朗肯循环系统中的第二换热部件53,即第一换热部件51的入口连通到第二涡轮4的出口,朗肯循环系统中第二换热部件53的第一入口连通到第一换热部件51的出口,第一出口连通到第二压气机6的入口。
本实施例中的其它部分的结构及连接关系与实施例一中的相同,在此不再赘述。
实施例四
请参照图5,本实施例与实施例一的不同之处在于,本实施例中的冷却循环系统5是将第二换热部件52和实施例一中的朗肯循环系统进行结合,即同时采用第二换热部件52和朗肯循环系统对第二涡轮4排出的气体进行冷却,在增加冷却效果的同时,将第二换热部件53吸收的热量进行进一步的回收利用,以提高能量的利用率。
请参照图5,具体的,第二涡轮4排出的气体,先经过朗肯循环系统中的第二换热部件53,再经过第二换热部件52连通到第二压气机6的入口,即第二换热部件53的第一入口连通到第二涡轮4的出口,第一出口连通到第二换热部件52。
本发明不以此为限制,第二涡轮4排出的气体,也可以先经过第二换热部件52,再经过朗肯循环系统中的第二换热部件53,即第二换热部件52的入口连通到第二涡轮4的出口,朗肯循环系统中第二换热部件53的第一入口连通到第二换热部件52的出口,第一出口连通到第二压气机6的入口。
本实施例中的其它部分的结构及连接关系与实施例一中的相同,在此不再赘述。
实施例五
请参照图6,本实施例与实施例一至实施例四的不同之处在于,本实施例中的冷却循环系统5是将实施例一中的朗肯循环系统、实施例三中的第一换热部件51和实施例四中的热电转换部件52进行结合,即同时采用第一换热部件51、热电转换部件52和朗肯循环系统对第二涡轮4排出的气体进行冷却,在增加冷却效果的同时,还可以将热电转换部件52吸收的热能转换成电能输出,还可以将第二换热部件53吸收的热量进行进一步的回收利用,以提高能量的利用率。
请参照图6,具体的,第二涡轮4排出的气体,先经过朗肯循环系统中的第二换热部件53,再经过第一换热部件51,最后经过热电转换部件52连通到第二压气机6的入口,即朗肯循环系统中的第二换热部件53的第一入口连通到第二涡轮4的出口,第一出口连通到第一换热部件51的入口,第一换热部件51的出口连通到热电转换部件52的入口,热电转换部件52的出口连通到第二压气机6的入口。
本发明不以此为限制,第二涡轮4排出的气体,还可以先经过热电转换部件52,再经过第一换热部件51,最后经过朗肯循环系统中的第二换热部件53连通到第二压气机6的入口。或者,第二涡轮4排出的气体,先经过第一换热部件51,再经过朗肯循环系统中的第二换热部件53,最后经过热电转换部件52连通到第二压气机6的入口。
在本实施例中,第一换热部件51、热电转换部件52和朗肯循环系统的排布顺序包括但不限于上述几种顺序,第一换热部件51、热电转换部件52和朗肯循环系统还可以以其他顺序进行排布,具体的排布顺序可依据实际需要进行适当调整。
本实施例中的其它部分的结构及连接关系与实施例一中的相同,在此不再赘述。
在上述实施例三、实施例四和实施例五中,冷却循环系统5中的朗肯循环系统也可以用有机朗肯循环系统代替。
本发明旨在保护一种内燃机系统,利用两个涡轮分别驱动两个压气机转动,其中一个涡轮和一个压气机组成涡轮增压系统,回收利用内燃机的废气能量,提高了内燃机的动力性,另一个涡轮和另一个压气机用于组成逆勃雷登循环系统,进一步回收了内燃机的废气能量。同时,加入冷却循环系统,冷却内燃机废气的同时,再进一步回收利用废气能量,解决了现有技术中内燃机的废气能量利用不足的问题,同时解决了现有技术中由于动力涡轮做功能力有限,无法进一步回收内燃机的废气能量的问题;通过逆勃雷登循环系统和冷却循环系统进一步回收利用废气能量,解决了现有技术中由于采用两级涡轮增压仍有部分废气能量无法回收利用,且不适用于内燃机功率需求不大的情况的问题。本发明的内燃机系统,兼顾内燃机的进气增压和废气能量综合回收利用,实现内燃机的节能减排。本发明的内燃机系统,还可以利用换热器与朗肯循环系统组合,通过换热器换热,进一步增强对废气的冷却效果。本发明的内燃机系统,还可以利用热电材料与朗肯循环系统组合,通过热电材料吸收废气的热能,降低了气体的温度,同时热电材料还将吸收的热能转化为电能,进一步提高了内燃机的废气能量的回收利用率。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当理解的是,本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理,而不构成对本发明的限制。因此,在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。此外,本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (11)

1.一种内燃机系统,其特征在于,包括:
内燃机(1),其上设置进气口和排气口;
第一涡轮(2),其入口连通到所述内燃机(1)的排气口;
第一压气机(3),其入口连通大气,出口连通到所述内燃机(1)的进气口;
第二涡轮(4),其入口连通到所述第一涡轮(2)的出口;
冷却循环系统(5),其入口连通到所述第二涡轮(4)的出口;
第二压气机(6),其入口连通到所述冷却循环系统(5)的出口,所述第二压气机(6)的出口连通到大气;
所述第一涡轮(2)通过第一轴系(7)与所述第一压气机(3)连接,用于驱动该第一压气机(3)进行压缩做功;所述第二涡轮(4)通过第二轴系(8)与所述第二压气机(6)连接,用于驱动该第二压气机(6)进行压缩做功。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,
所述第二涡轮(4)通过所述第二轴系(8)输出动力给动力装置。
3.根据权利要求2所述的系统,其特征在于,
所述动力装置为发电机或所述内燃机(1)的曲轴。
4.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,还包括:
中冷器(9),其入口连通到所述第一压气机(3)的出口,所述中冷器(9)的出口连通到所述内燃机(1)的进气口,用于冷却所述第一压气机(3)排出的气体,并增大所述内燃机(1)的进气密度。
5.根据权利要求4所述的系统,其特征在于,
所述中冷器(9)为风冷或水冷的换热器。
6.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:
所述冷却循环系统(5),其为朗肯循环系统,或朗肯循环系统与第一换热部件(51)联合使用,或朗肯循环系统与热电转换部件(52)联合使用,或朗肯循环系统、第一换热部件(51)和热电转换部件(52)联合使用,用于冷却所述第二涡轮(4)排出的气体。
7.根据权利要求6所述的系统,其特征在于,
所述朗肯循环系统可以用有机朗肯循环系统替换。
8.根据权利要求6所述的系统,其特征在于,所述朗肯循环系统包括:
第二换热部件(53),其第一入口连通到所述第二涡轮(4)的出口,所述第二换热部件(53)的第一出口连通到所述第二压气机(6)的入口;
汽轮机(54),其入口连通到所述第二换热部件(53)的第二出口;
第三换热部件(55),其入口连通到所述汽轮机(54)的出口;
泵(56),其入口连通到所述第三换热部件(55)的出口,所述泵(56)的出口连通到所述第二换热部件(53)的第二入口;
所述汽轮机(54)通过第三轴系(57)输出动力;
所述朗肯循环系统用于冷却所述第二涡轮(4)排出的气体,同时将吸收的热量转换成动力输出。
9.根据权利要求6所述的系统,其特征在于,
所述第一换热部件(51)的入口连通到所述第二换热部件(53)的第一出口,所述第一换热部件(51)的出口连通到所述第二压气机(6)的入口,用于冷却所述第二涡轮(4)排出的气体。
10.根据权利要求6所述的系统,其特征在于,
所述热电转换部件(52)的入口连通到所述第二换热部件(53)的第一出口,所述热电转换部件(52)的出口连通到所述第二压气机(6)的入口,用于冷却所述第二涡轮(4)排出的气体,并将吸收的热能转换成电能输出。
11.根据权利要求7所述的系统,其特征在于,所述有机朗肯循环系统包括:
第二换热部件(53),其第一入口连通到所述第二涡轮(4)的出口,所述第二换热部件(53)的第一出口连通到所述第二压气机(6)的入口;
汽轮机(54),其入口连通到所述第二换热部件(53)的第二出口;
第三换热部件(55),其入口连通到所述汽轮机(54)的出口;
泵(56),其入口连通到所述第三换热部件(55)的出口,所述泵(56)的出口连通到所述第二换热部件(53)的第二入口;
所述汽轮机(54)通过第三轴系(57)输出动力;
所述有机朗肯循环系统用于冷却所述第二涡轮(4)排出的气体,同时将吸收的热量转换成动力输出。
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