CN109356718A - 带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机 - Google Patents

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Abstract

带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机,是采用简单循环的发动机,还可以是联合循环发动机,基本做功系统主要包括压缩机、燃气风动发动机、连接压缩机与风动发动机的独立燃烧室、无级变速器,工作时,压缩机连续产生压缩空气并输给燃烧室,再与通入的燃料混合燃烧,气体吸热等压膨胀,推动燃气风动发动机运转,先做等压膨胀功,燃烧后产生的燃气再进入燃气风动发动机,再做绝热膨胀功;无级变速器安装在压缩机与燃气风动发动机动力传动轴上,调节压缩机与风动发动机转速比,变相的改变压缩机与风动发动机的容积比,改变膨胀比,让燃烧室空气、燃料、负载转速变化时保证燃烧室压强稳定,并让燃气风动发动机出气口的压强略高于大气压。

Description

带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机
技术领域
本发明涉及热机,是一种高效率的有独立燃烧室的由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机,有余热利用系统时还是燃气-蒸汽联合循环发动机。
背景技术
现有活塞发动机结构复杂、效率还不够高;现在最好的汽油机的效率正常运行时一般在 30%左右,马自达第二代创驰蓝天发动机到2019年达到50%,由于排放限制,活塞发动机从此到达极限效率不会再有大的提高;柴油机效率好些,但舒适性差,重;汽轮机粗重效率低;燃气轮机低速效率低,小型化效率低,发明201610237447.x,也不是全工况高效率,部件偏多。
发明内容
本发明目的是提供带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机,采用简单循环的热机,根据采用压缩机与燃气风动发动机的不同,有多种结构,中大型机在有余热利用系统时还是燃气-蒸汽联合循环的发动机。因为具有开放吸气、开放排气、燃料连续燃烧燃气连续做功、富氧独立燃烧室、封闭做功燃气、燃气风动机通过无级调速器而变相具有变容从而控制燃烧室压强与排放压强、余热生成蒸汽做功等特点而具有高效率、大扭矩、低速性能好、宽发动机转速而且相对宽工作区域高效率、低排放污染小、运行平稳噪音小、结构简单成本低、高功率比容积比质量、可靠耐久等优点。
带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机的热力学原理与燃气轮机近似,是一种以连续流动的气体作为工质,把燃料燃烧的热能转化为机械能的旋转式动力机械,采用简单循环,压缩机从大气环境吸入空气并进行压缩得到压缩空气,压缩空气进入独立燃烧室与燃料混合燃烧,气体等压膨胀,推动燃气风动发动机运转,先做等压膨胀功,进入燃气风动发动机再膨胀,再做绝热膨胀功,典型热力学循环PV图如图4中ABCD,AB段是绝热压缩,系统做负功,BC段燃料燃烧气体等压吸热膨胀,做等压膨胀正功,CD段绝热膨胀,做绝热膨胀正功,DA段为开放排气。
在有余热生成蒸汽进燃气风动机做功或独立余热利用朗肯循环做功的情况下,它又是热力学循环理论效率高于卡诺循环的燃气-蒸汽联合循环的发动机。
带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机解决上述技术问题而采用的技术方案是:
发动机主要包含发动机由基本做功系统、润滑系统、燃料供应控制系统、启动点火系统、散热或余热分级利用系统、电脑控制系统、尾气处理系统等。
基本做功系统主要包括能连续产生压缩空气的压缩机、连续消耗高温燃气的燃气风动发动机、连接压缩机与燃气风动发动机的独立燃烧室、无级变速器。
其中独立燃烧室的进气口连接压缩机压缩空气出气口,燃烧室出气口连接燃气风动发动机进气口,形成气路连接。燃烧室上有燃料进口、点火器,内有1到多个燃烧器,有余热蒸汽直接进燃气风动发动机的余热系统时,燃气出口附近还有余热利用蒸汽出气口,燃烧室的燃烧器中采用稀薄燃烧,现有汽油机过量空气系数在当量1左右(一般在0.85-1.2之间),低速小功率高效率大于1,高速大功率低效率小于1,而本设计过量空气系数通常远大于1,可以达到5以上,追求环保并追求小型化的典型燃气温度在很少产生氮氧化物的1500℃左右时空气过量系数大约1.6左右,从1.6到0.9还有较大供油空间,因而短时间给油时动力澎湃,爆发力强,起步超车轻松,吸气量大的发动机燃烧室可以采用多个燃烧器,目的是在怠速或小功率运行时关闭部分燃烧器燃料进口,让少量燃料集中燃烧,改变局部空气燃料比,不至于燃料因稀薄而熄火,多燃烧器的具有联焰结构,燃烧室可以兼具导流器作用,让高温燃气处于处于相对较冷的余热利用产生的水蒸气之间,减少热损失与燃气冲蚀。
本设计特别增加了无级变速器,安装在压缩机与燃气风动发动机动力传动轴上,形成动力传动连接。可以手动、半自动或自动的改变压缩机与风动发动机的转速比,变相改变压缩机与风动发动机的容积比,即改变膨胀比,让燃烧室中的压强在空气、燃料、负载转速变化时基本保持稳定,同时让燃气风动发动机出气口的压强略高于大气压,能自然排气减少排气损失,保证不同工况下都有较高的效率。手动变速器控制机构与油门联动,并通过离心转速器修正。半自动改变压缩机与风动发动机的转速比可以通过连接在燃烧室上的带电触点的定制的压力表来控制变速器:燃烧室的气体压强高于压力表设定压强,压力表控制一组触点接通,变速器调整电路接通,增大无级变速器变速比,变相增大燃气风动发动机与压缩机的容积比,增大膨胀比;如果燃烧室的气体压强低于压力表设定压强,压力表控制另一组触点接通,变速器调整电路接通,减小无级变速器变速比,变相减小燃气风动发动机与压缩机的容积比,减小膨胀比。自动无级变速器是通过燃烧室进气口、燃气风动发动机出气口等地方的压强传感器、转速传感器及其他传感器经控制系统控制无级变速器调节连接压缩机与风动发动机转速比:发动机刚启动或怠速时,控制系统按照程序自动选择适合当前环境的工作状态,无级变速器调节燃气风动发动机与压缩机为低转速比(整个发动机为低膨胀比)并匹配少量燃料,即图4中的ABC2D2循环;当油门或负载转速发生变化时,根据油门、负载转速变化量,控制系统按程序同步调整燃料供应与无级变速器变速比(也就是变相调整燃气风动发动机与压缩机的容积比,也是膨胀比),再获取燃烧室进气口(选这里目的时燃烧室中这里温度低)、燃气风动发动机出气口等位置的气体压强,比较燃烧室进气口的气体压强与燃烧室在当前环境控制系统存储与计算的正常压强、比较燃气风动发动机出气口的气体压强与环境大气压,如果燃气风动发动机出气口的气体压强略大于环境大气压且燃烧室进气口的气体压强等于存储与计算的燃烧室正常压强,操作系统不发出调整信号,如果燃气风动发动机出气口的气体压强大于环境大气压较多且燃烧室进气口的气体压强高于存储与计算的燃烧室正常压强,控制系统按照偏离量发出增大无级变速器变速比(变相增大燃气风动发动机与压缩机的容积比,增大膨胀比)定量调整信号,如果燃气风动发动机出气口的气体压强小于等于环境大气压且燃烧室进气口的气体压强低于存储与计算的燃烧室正常压强,控制系统按照偏离量发出减小无级变速器变速比(变相减小燃气风动发动机与压缩机的容积比,减小膨胀比)定量调整信号,如果数值偏离范围不同步,在允许范围内发出检修警告信号,在允许范围外系统停机。运行中不停的重复的获取燃烧室进气口、燃气风动发动机出气口等位置的气体压强,比较燃烧室进气口的气体压强与燃烧室正常压强、比较燃气风动发动机出气口的气体压强与环境大气压,不停地获取负载转速变化,并作出调整。在有无级变速器时,图4中的ABCD循环为典型中等功率工况的循环,小功率或怠速时为ABC2D2,大功率时按ABC4D4循环工作,无论怎样,燃烧室与燃气风动发动机排气口压强都稳定,如果没有无级变速器,小功率或怠速时为 ABB1C1D1ED循环进行,大功率时按ABB3C3D3D循环工作,压缩机工作有脉动,燃烧不平稳,大功率时压缩机会过载,排气压强更是不合理;对用于混动发电这样工况比较稳定的发动机,可以不要无级变速器。
基本做功系统中的压缩机与燃气风动发动机的本质一样,只是运行相反而已,本发明中的压缩机与风动发动机可以采用各种能连续产生或消耗压缩空气或消耗燃气的压缩机与风动发动机,如星型活塞压缩机、滑片转子压缩机、涡旋式压缩机、离心式压缩机、轴流式压缩机、混流式压缩机等等各种容积型、速度型压缩机,对应的风动发动机就有星型活塞型燃气风动发动机、滑片转子型燃气风动发动机、涡旋式型燃气风动发动机、离心式型燃气风动发动机、轴流式型燃气风动发动机、混流式型燃气风动发动机等等各种容积型、速度型燃气风动发动机,整体或具体的有各种其它名称:如膨胀机、风动马达、燃气透平、燃气机等等;发动机选用何种压缩机、何种风动发动机是根据不同情况进行不同搭配,比如中小型发动机可以选择容积型的涡旋式压缩机、滑片转子压缩机等与涡旋式风动发动机、滑片转子风动发动机等自搭配或混合搭配,中大型发动机除了容积型的,还可以选用速度型的,自搭配是指压缩机与燃气风动发动机是同一类型的,如滑片转子压缩机搭配滑片转子风动发动机,再与燃烧室、无级变速器等组成一个发动机,混搭是指压缩机与燃气风动发动机不是一个类型的,如涡旋压缩机搭配滑片转子燃气风动发动机再与燃烧室、无级变速器等组成一个发动机,又如滑片转子压缩机搭配燃气透平再与燃烧室、变速器等组成一个发动机。一般情况下同一台发动机的燃气风动发动机容积是压缩机的几倍(混搭速度型除外),目的是让压缩机与燃气风动发动机典型工况下转速相差不大,减少摩擦损失,不考虑摩擦或有其它情况也可以容积相同转速不同。
基本做功系统工作时,能连续产生压缩空气的压缩机向独立燃烧室提供压缩空气,并在燃烧室中与通入燃烧室的燃料混合燃烧,气体吸热等压膨胀,由于燃气风动发动机等效容积比压缩机等效容积大几倍,压强相等,形成对外做功力矩,先做等压膨胀功,燃烧后产生的燃气再进入燃气风动发动机在运转中体积变大,再做绝热膨胀功,并以略微高于大气压排气压强进行排气。
本设计的发动机还可以作为能提供压缩气体的带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机,其发动机与上述发动机基本一样,但有以下两个区别:1、以提供压缩空气为目的的发动机的正常工作时燃气风动发动机的等效容积不再是压缩机容积的几倍,而是略大;提供高温燃气的发动机的燃气风动发动机等效容积与压缩机容积的比值也有所缩小;2、提供压缩空气的发动机的燃烧室进气口或压缩机出气口有带有控制阀的压缩空气出气口,提供高温燃气的发动机的燃烧室出气口或燃气风动发动机进气口有带有控制阀的高温高压燃气出气口。
在本设计能提供压缩气体的带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机的基础上控制系统配合气动马达还能得到气动马达驱动的机动车辆或在有发动机通过变速箱正常驱动的同时带有气动马达驱动的机动车辆。气动马达显然是一种性能优越成本低廉的多轮驱动技术,气动马达驱动可以不要变速箱,可以兼做制动器等。
燃料供应控制系统包括控制系统、燃油箱或(和)燃气罐或燃煤秸秆输送系统、燃油泵或 (和)燃气泵或(和)燃烧室加煤加秸秆等平衡室、管路、控制阀、喷嘴、传感器等。由于采用燃烧室,所以可以轻易实现汽油、柴油、酒精等液体燃料和煤气、液化气、天然气等气体燃料甚至固体燃料的单相替换或多相切换。对于部分有气液燃料切换的机动车,油箱中的燃油通过油滤、油泵、管道到达三通电磁阀,气瓶中的燃气经过滤芯、电磁阀、降压阀、管道也到达三通电磁阀,控制系统利用三通电磁阀、高压油气泵对液体燃料和气体燃料进行手动或自动切换。燃烧室具有停供部分喷嘴燃料的结构,喷嘴、控制系统与燃烧室燃烧器匹配。另外能直接运用吊车吊装或输送带输送煤块、压缩秸秆等固体燃料的中大型机的燃烧室顶部有平衡变压室,平衡变压室顶部、底部的密封承压板在同一时间内其中的一部分可以抽离,用于不停机不泄压补充燃煤、压缩秸秆等固体燃料:让燃料从预存室落入平衡室内,或从平衡室内落入燃烧室中,密封承压板有多重密封。
启动点火系统包括启动电源、电机、控制系统、点火电路、传感器等,其中点火电路可以采用高压电子打火,也可以采用电热丝硬点火,或者同时具有,高压电子打火与电热丝硬点火的点火器可以设计为升缩移动式,点火后离开火焰,燃煤燃秸秆等固体燃料的发动机用油气点火器燃烧引燃煤炭秸秆等固体燃料。
余热分级利用采用余热蒸汽直接进风动发动机或采用独立余热利用朗肯循环做功,其中余热蒸汽直接进风动发动机的余热利用系统按连接顺序依次为水箱、净水器、高压水泵、管路、对润滑油冷却的换热器、压缩机侧散热余热利用温水通道、尾气再利用换热器、风动发动机散热通道、尾气余热利用换热器、温度传感器等,另有冬天取暖的暖气取暖管路。燃气风动发动机与尾气利用换热器的温度传感器通过控制系统决定高压水泵的启停,确保泵进的净水全部转化为合适温度的高温高压蒸汽;润滑油散热的温度传感器通过控制系统决定润滑油补充散热是否启动及启动幅度;冬天取暖暖气根据冬天取暖的温度传感器通过控制系统决定从何处取热,如刚启动时各处温度都低,暖气从尾气取暖,甚至可以同时给润滑油加热,待发动机热了后从润滑油、压缩机取暖。
本发明的有益效果是:
效率高,采用由进气绝热压缩过程、定压燃烧加热膨胀做功过程、绝热膨胀做功过程和定压放热排气过程所组成的循环是非常标准的勃朗登循环,它的理论热效率为ηt=W/Q1= 1-1/π(γ-1)/γ,公式表明热效率ηt主要与压比π(π=P2/P1)、空气比热容比γ有关,空气可以看着双原子分子,γ取1.4,例如压缩比为10时压比25.1,温度比2.51,理论热效率为60%,实际汽柴油机由于预膨胀、工作循环必须散热、在上止点时燃烧不充分直到排气还没有完全燃烧、吸气排气的摩擦等多种因数,实际效率远比理想循环低,相比之下本发明的各种损失比现有汽柴油机都低或根本没有,有余热分级利用系统还能提供一点有用功,是燃气- 蒸汽联合循环,理论效率已经超过卡诺循环效率;汽油机工作为了防止震爆,他不得不散热,并采用低压缩比,而本发明在材料许可范围内可以提高燃气风动发动机温度,降低热损失,对于汽柴油机热损失最快是在燃爆时,而本发明在燃烧室的火焰筒处基本没有热损失。总之:小型机用实际效率能轻松突破50%,如果有合适的绝热耐磨材料、压缩比20左右,有余热利用时突破60%无压力,大型机采用高压缩比配合尾气处理应该可以达到65%以上。
动力平稳,这是结构决定的,可以提供舒适的驾驶环境。
安静,有些甚至无需消音器,这个也可以提高效率,这是因为是连续燃烧,尾气近1个大气压排放无爆音,适合油电潜艇。
尾气排放好,污染低,如果采用典型工作温度低于1600℃情况下时无需尾气处理装置,这是因为采用过量空气在燃烧室燃烧,基本没有一氧化碳、碳氢化合物,并且,产生的氮氧化物很少,如果追求高效率采用高温高压高压缩比,尾气中有一定的氮氧化物,需要尾气处理。
低速时扭矩就可以很大,功率爆发力更强,可以迅速提升速度,方便启动、超车,这主要是因为结构特点和过量空气系数在正常运行时远大于1,同转速下爆发功率大,柴油机低速时扭矩就大、功率爆发力强的原因也是因为过量空气系数大。
高功率容积,升功率大,高功率比重,可以小型化、生产成本比现有活塞发动机低,因为它是简单循环的简易结构,对于飞机、坦克等对体积、重量敏感的动力场所都适用。
发动机具有可变膨胀比,这是因为通过无级变速器得到的,提高更多工况的效率。
能提供压缩气体的带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机通过气动马达可以轻松实现多轮驱动。
现有飞机的涡轮发动机、涡扇发动机燃烧室前添加无级变速器可以在空中停车与效率之间选择最佳平衡点,大幅度提高效率,增加航程,增加留空时间,增加推重比,增加飞行速度,即使发生空中停车也容易启动。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明,各图仅仅示意原理,尺寸与比例与实际并不相符。
图1是本发明基本做功系统组成结构示意图。
图2是本发明能提供压缩空气的发动机基本做功系统组成结构示意图。
图3是本发明能提供高温燃气的发动机基本做功系统组成结构示意图。
图4是本发明及没有无级变速器时几种热力学典型运行情况PV原理图。
图5是一种独立燃烧室基本组成结构原理示意图,实际情况有变化。
图6是本发明采用压缩秸秆、煤块等固体燃料的另一个中大型实施例的燃烧室简易结构原理示意图。
图7是采用余热蒸汽直接进风动发动机方式的余热分级利用工作流程示意图。
图中:1.能连续提供压缩空气的空气压缩机;2.能连续消耗高温燃气的燃气风动发动机; 3.连接压缩机(1)与燃气风动发动机(2)的无级变速器;4.连接压缩机(1)压缩空气出气口与燃气风动发动机(2)高温燃气进气口的独立燃烧室;5.能提供压缩空气的发动机的燃烧室进气口或压缩机出气口上的带有控制阀的压缩空气出气口;6.能提供高温燃气的发动机的燃烧室出气口或燃气风动发动机进气口上的带有控制阀的高温高压燃气出气口;7.燃烧室中的火焰管;8.有余热蒸汽直接进入风动发动机的余热利用系统的蒸汽通道与出气口;9.旋流器;10.火焰管头部;11.有多孔气膜降温结构的火焰管管身;12.火焰管管身上的射流孔; 13.燃气导流管;14.多点燃料进口喷嘴以及点火器;15.气体流动方向;16.侧面或下面去除尘灰矸石的平衡变压室(图中没有画出)中的可以移动的点火器兼功率补充调节器;17.粉尘滤网;18.燃烧床;19.煤块、秸秆等固体燃料;20.燃烧室顶部的平衡变压室;21.煤、秸秆等固体燃料预存室;22.实现空气燃料比调节、功率调节的栅栏式气道调节阀;23.旋流补燃器; 24.燃烧室顶部平衡变压室的承压板;25.密封燃烧室顶部平衡变压室的承压板的多重密封; 26.控制阀。
图4中的ABCD循环为典型中等功率工况的循环,ABC2D2为有无级变速器时的小功率或怠速时的循环,有无级变速器时的大功率时按ABC4D4循环工作,其中AB段是绝热压缩,系统做负功,BC、BC2、BC4段燃料燃烧气体等压吸热膨胀,系统做等压膨胀正功,CD、C2D2、C4D4段绝热膨胀,系统做绝热膨胀正功,DA、D2A、D4A段为开放排气,无论怎样,燃烧室与燃气风动发动机排气口压强都稳定。ABB1C1D1ED循环为没有无级变速器小功率或怠速时循环情况,同样AB段是绝热压缩,系统做负功,BB1段为绝热膨胀,理论应该与AB段中的部分重合,实际中由于热损失等原因导致比直接压缩到这个压强体积略小,产生BB1段绝热膨胀的原因是由于燃料少,发热不多,膨胀室不足维持B点压强,B1C1段燃料燃烧气体吸热膨胀,系统做等压膨胀正功,C1D1ED段为绝热膨胀,系统做正功,由于燃料少,发热不多,膨胀结束时压力小于大气压,D1ED部分做负功,DA段为开放排气;ABB3C3D3D循环为没有无级变速器大功率输出时的运行情况,其中AB段是绝热压缩,系统做负功,BB3C3段燃料燃烧气体升压吸热膨胀,系统做正功,由于是升压膨胀所以压缩机可能会过载损坏,C3D3段绝热膨胀,系统做正功,D3DA段为开放排气,D3D段为高于大气压排放,浪费部分能量。
具体实施方式
图1、2、3中,基本做功系统中的压缩机(1)与风动发动机(2)可以采用各种能连续产生或消耗压缩空气或消耗燃气的压缩机与风动发动机,如星型活塞压缩机、滑片转子压缩机、涡旋式压缩机、离心式压缩机、轴流式压缩机、混流式压缩机等等各种容积型、速度型压缩机,风动发动机对应的有星型活塞风动发动机、滑片转子风动发动机、涡旋式风动发动机、离心式风动发动机、轴流式风动发动机、混流式风动发动机等等各种容积型、速度型风动发动机;发动机选用何种压缩机(1)、何种风动发动机(2)是根据不同情况进行不同搭配,比如中小型发动机可以选择容积型的涡旋式压缩机、滑片转子压缩机等与涡旋式风动发动机、滑片转子风动发动机等自搭配或混合搭配,中大型发动机除了容积型的,还可以选用速度型的,自搭配是指压缩机与燃气风动发动机是同一类型的,如涡旋式压缩机搭配涡旋式风动发动机与燃烧室(4)、无级变速器(3)等组成一个发动机,混搭是指压缩机(1)与燃气风动发动机(2)不是一个类型的,如涡旋压缩机搭配滑片转子燃气风动发动机再与燃烧室(4)、无级变速器(3)等组成一个发动机,又如滑片转子压缩机搭配燃气透平再与燃烧室(4)、变速器(3)等组成一个发动机。一般情况下同一台发动机的燃气风动发动机(2)的容积是压缩机(1)的容积的几倍(混搭速度型除外),目的是让压缩机(1)与燃气风动发动机(2)典型工况下转速相差不大,减少摩擦损失,如果不考虑摩擦损失也可以让压缩机(1)与燃气风动发动机(2)容积一样大。压缩机(1)由现有压缩机为适应发动机的压缩比稍微修改即可,燃气风动发动机(2)在压缩机基础上要增加散热或余热利用、改善润滑密封,材料也要改为适合高温的,热学、力学结构都要做适应性修改。基本做功系统中的燃烧室(4)中的火焰管(7)内部有绝热涂层,导流管(13)有保护涂层,内有1到3个燃烧器,外接多点燃料进口、点火器(14),燃烧室内燃气出口附近还有余热利用蒸汽出气口(8),燃烧器的有关闭部分燃料进口的控制单元,多燃烧器的有联焰结构,燃烧室的设计关乎氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物等尾气排放,还关乎燃烧室寿命等,图5是一种简易燃烧室设计,通过旋流器(9)、火焰管头部(10)、多孔气膜降温结构火焰管管身(11)、火焰管管身上的射流孔(12)、燃气导流管(13)让燃料与空气充分混合燃烧,具体设计可以参考现实的燃烧室设计,并经过实践验证。基本做功系统中的无级变速器(3)采用现有技术,安装在压缩机与燃气风动发动机动力传动轴上,用于手动或自动改变燃气风动发动机与压缩机的转速比,变相改变压缩机与风动发动机的容积比,手动适应少量低成本小型机,一般与油门联动,并通过离心转速器修正,方式可以机械直连,或信号反馈调整;半自动改变压缩机与风动发动机的转速比可以通过连接在燃烧室上的带触点的定制的压力表来控制变速器,压力表为现有产品,但需要对抗震稳定性和量程作调整:燃烧室的气体压强高于压力表设定压强,压力表控制一组触点接通,变速器调整电路接通,增大无级变速器变速比,变相增大燃气风动发动机与压缩机的容积比,增大膨胀比,如果燃烧室的气体压强低于压力表设定压强,压力表控制另一组触点接通,变速器调整电路接通,减小无级变速器变速比,变相减小燃气风动发动机与压缩机的容积比,减小膨胀比。自动是通过燃烧室进气口、燃气风动发动机出气口等地方的压强传感器经控制系统控制变速器调节连接压缩机与风动发动机转速比:发动机刚启动或怠速时,控制系统按照程序自动选择适合当前环境的工作状态,无级变速器调节燃气风动发动机与压缩机为低转速比并匹配少量燃料,即图4中的ABC2D2循环;当油门或负载转速发生变化时,根据油门、负载转速变化量,控制系统按程序同步调整燃料供应与无级变速器变速比(也就是变相调节燃气风动发动机与压缩机的容积比,调节膨胀比),获取燃烧室进气口、燃气风动发动机出气口等位置的气体压强,比较燃烧室进气口的气体压强与燃烧室正常压强、比较燃气风动发动机出气口的气体压强与环境大气压,如果燃气风动发动机出气口的气体压强略大于环境大气压且燃烧室进气口的气体压强等于燃烧室正常压强,操作系统不发出调整信号,如果燃气风动发动机出气口的气体压强大于环境大气压较多且燃烧室进气口的气体压强高于燃烧室正常压强,控制系统按照偏离量发出增大无级变速器变速比(变相增大燃气风动发动机与压缩机的容积比,增大膨胀比)的定量调整信号,如果燃气风动发动机出气口的气体压强小于等于环境大气压且燃烧室进气口的气体压强低于燃烧室正常压强,控制系统按照偏离量发出减小无级变速器变速比(变相减小燃气风动发动机与压缩机的容积比,减小膨胀比)的定量调整信号,如果数值偏离范围不同步,允许范围内发出检修警告信号,允许范围外系统停机。运行中不停的重复的获取燃烧室进气口、燃气风动发动机出气口等位置的气体压强,比较燃烧室进气口的气体压强与燃烧室正常压强、比较燃气风动发动机出气口的气体压强与环境大气压,不停地获取负载转速变化,并作出调整。在有无级变速器(3)时,图4中的ABCD循环为典型中等功率工况的循环,小功率或怠速时为ABC2D2,大功率时按ABC4D4循环工作,无论怎样,燃烧室与燃气风动发动机排气口压强都稳定,如果没有无级变速器,小功率或怠速时为ABB1C1D1ED循环进行,大功率时按ABB3C3D3D循环工作,压缩机工作有脉动,燃烧不平稳,大功率时压缩机与燃气风动发动机会过载,排气压强更是不合理;对用于混动发电这样工况比较稳定的发动机,可以不要无级变速器(3)。
图6是本发明采用压缩秸秆、煤块等固体燃料的另一个超大型实施例的燃烧室简易结构原理示意图,是通过燃烧室顶部的平衡变压室(20)实现间断添加燃煤、秸秆等固体燃料(19),用于不停机不泄压补充燃煤,平衡变压室顶部、底部有多重密封(25)的承压板(24),通过顶部、底部有多重密封(25)的承压板(24)与外面的壳体构成一个可以隔离燃烧室与大气的平衡变压室,平衡变压室上面是煤、秸秆等固体燃料预存室(21),平衡变压室下面时燃烧室室内部分,在同一时间内其中的一部分可以抽离,让煤落入下一层,承压板(24)有多重密封(25);侧面去除粉尘、矸石的平衡变压室(没有画出)中的点火器兼功率调节器(16) 用于点火和补充燃料前后功率不足时功率补充,可以设计成可以移动的形式,正常运行时收入侧面平衡室,减少气阻;粉尘滤网(17)进气口网眼小,出气口网眼能让小颗粒通过,可以安装震动清尘装置,燃烧床(18)下面细小的用于掉落的小煤块燃烧,燃烧床(18)上面用于支撑大煤块;实现空气燃料比调节、功率调节的栅栏式气道调节阀(22)有固定栅栏部分与活动栅栏部分构成,活动栅栏移动能改变气道大小与启闭,打开时压缩空气大部分从气阻小的燃烧室顶部流过,与煤反应的空气减少,功率减小,可以调节空燃比、减少一氧化碳的产生,并可以调节功率;旋流补燃器(23)安装在燃烧床后的燃烧室的壳体上,让局部不完全燃烧产生的一氧化碳与空气混合继续反应,提高效率,减少排放。余热利用后的尾气用先用CaCO3粉浆初次喷洗,清除粉尘和大部分的SO2、NOx,再用Na2CO3溶液二次喷洗,清除SO2、 NOx,或采用其他更专业方法处理。余热利用系统通常采用独立余热利用朗肯循环做功,也可以采用低成本的让余热蒸汽进入燃气风动发动机的形式。
余热分级利用采用余热蒸汽直接进风动发动机或采用独立余热利用朗肯循环做功,图7 是其中余热蒸汽直接进风动发动机的余热利用系统,按连接顺序依次为水箱、净水器、高压水泵、管路、对润滑油冷却的换热器、压缩机侧散热余热利用温水通道、尾气再利用换热器、风动发动机散热通道、尾气余热利用换热器、温度传感器等,另有冬天取暖的暖气取暖管路。燃气风动发动机与尾气利用换热器的温度传感器通过控制系统决定高压水泵的启停,确保泵进的净水全部转化为合适温度的高温蒸汽;润滑油散热的温度传感器通过控制系统决定润滑油补充散热是否启动及启动幅度;冬天取暖暖气根据冬天取暖的温度传感器通过控制系统决定从何处取热,如刚启动时各处温度都低,暖气从尾气取暖,甚至可以同时给润滑油加热,待发动机热了后从润滑油、压缩机取暖。

Claims (10)

1.带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机,包括基本做功系统、润滑系统、燃料供应控制系统、启动点火系统、散热或余热分级利用系统、电脑控制系统、尾气处理系统,其特征是:发动机的基本做功系统主要包括能连续产生压缩空气的压缩机、燃气风动发动机、连接压缩机与燃气风动发动机的独立燃烧室、无级变速器,其中独立燃烧室的进气口连接压缩机压缩空气出气口,燃烧室出气口连接燃气风动发动机进气口,燃烧室上有燃料进口、点火器,无级变速器安装在压缩机与燃气风动发动机动力传动轴上,用于改变膨胀比,让燃烧室空气、燃料、负载转速变化时保证燃烧室压强稳定,同时让燃气风动发动机出气口的压力略高于大气压,工作时压缩机从大气环境吸入空气并进行压缩,压缩空气进入独立燃烧室与燃料混合燃烧,气体等压膨胀,推动燃气风动发动机运转,先做等压膨胀功,进入燃气风动发动机再膨胀,再做绝热膨胀功。
2.根据权利要求1所述的带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机,其特征是:发动机中的压缩机采用能连续产生压缩空气各种容积型、速度型压缩机中的一种,发动机中的燃气风动发动机采用能连续消耗高温高压燃气的各种容积型、速度型风动发动机中的一种,发动机根据不同情况选用不同的种类压缩机与风动发动机,中小型发动机选择容积型的压缩机与容积型的风动发动机自搭配或混合搭配,中大型发动机的压缩机与风动发动机在容积型、速度型中选择,自搭配是指压缩机与燃气风动发动机是同一种类型的,混搭是指压缩机与燃气风动发动机不是同一种类型的。
3.根据权利要求1所述的带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机,其特征是:通过无级变速器调节压缩机与风动发动机转速比,使燃烧室与燃气风动发动机排气口压强稳定。
4.根据权利要求3所述的带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机,其特征是:无级变速器调节压缩机与风动发动机转速比通过手动或半自动或自动控制:手动时变速器控制机构与油门联动,并通过离心转速器修正;半自动改变压缩机与风动发动机的转速比通过连接在燃烧室上的带触点的压力表来控制变速器,燃烧室的气体压强高于或低于压力表设定压强,压力表分别有一组触点接通,变速器调整电路增大或减小无级变速器变速比;自动无级变速器是通过包括压强、转速传感器经控制系统控制无级变速器调节连接压缩机与风动发动机转速比。
5.根据权利要求1所述的带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机,其特征是:发动机的燃烧室进气口或压缩机出气口或燃烧室出气口或燃气风动发动机进气口有带有控制阀的压缩空气或高温高压燃气出气口,能提供压缩空气或能提供高温燃气。
6.根据权利要求5所述的带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机,其特征是:利用发动机提供的压缩空气,控制系统配合气动马达得到气动马达驱动的机动车辆或在有发动机通过变速箱正常驱动的同时带有气动马达驱动的机动车辆。
7.根据权利要求1所述的带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机,其特征是:因具有独立燃烧室而具有能交替使用同种状态燃料的发动机或利用包括三通电磁阀、高压油气泵对液体燃料和气体燃料进行切换的发动机。
8.根据权利要求1所述的带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机,其特征是:发动机的燃烧室顶部有平衡变压室,平衡变压室顶部、底部的是密封承压板,密封承压板在同一时间内其中的一部分密封,另一部分密封或抽离,用于不停机不泄压补充固体燃料,让燃料从平衡室外的预存室落入平衡室内,或从平衡室内落入燃烧室中,密封承压板有多重密封,发动机启动时用油气点火器燃烧引燃固体燃料。
9.根据权利要求1所述的带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机,其特征是:发动机有余热利用结构,余热利用结构为余热蒸汽直接进风动发动机或采用朗肯循环的独立余热利用系统。
10.根据权利要求1所述的带有燃烧室由无级变速器传动压缩机的简单循环发动机,其特征是:启动点火系统主要包括启动电源、电机、控制系统、点火电路、传感器,其中点火电路采用高压电子打火或采用电热丝硬点火或者同时具有,点火器设计为升缩移动式或固定式。
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