CN1104553C - 把热转换成功的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种把热转化成功的方法，气体燃料被压缩并随后被燃烧，燃烧导致的体积膨胀使驱动装置2运动。为了低污染地燃烧，按本发明规定：压缩的气体燃料在充满燃烧室的多孔体8中燃烧。
Description
本发明涉及用来将热转换成功的一种方法和一种装置。
按照以前的技术大家都知道、为了实现将热转换成功的目的，利用由于压缩的气态燃料如空气/燃料混合物的燃烧而产生的体积膨胀，以获得机械功：由于被压缩在汽缸中的空气/燃料混合物燃烧而造成体积膨胀，汽油内燃机中活塞从汽缸头移开。上述运动经过一连杆被传递至一曲轴。
按已知的方法，燃烧发生时伴随形成火焰。上述情况造成以下弊病：
a)特别是，作为燃烧气体发生有害的NOx气体。
b)燃烧是不完全的和低效率的，这是由于燃烧室中空气/燃料混
合物通常分配和混合不充分所致。
c)由于不完全燃烧之故，作为燃烧残留物产生有害的黑烟。
d)由于环境保护缘故，有必要对燃烧气体进行代价很大的催化性
净化处理或者从排出的废气流中分离出燃烧残留物。
专利DE 43 22109 A1公开了一种用于一种燃气/空气混合物的燃烧器。燃烧室中充填一种多孔体。由燃烧器发生的热被释放出来，例如作为热水或蒸汽，也可以用于加热或操纵透平所需的其他过程中。采用已知的燃烧器用于生产工作所获得的效率是相当低的，这是因为需要提供一个热交换器。另一缺点是，已知的燃烧器只能连续地操作，而且只能用低的燃料密度。由于这种方法的缘故不可能使用液态燃料的。
本发明的目的是提供一种方法和一种装置，以之用于将热转换成功，并消除前面所提到的那些缺点。此外，本发明的目的是采用尽可能经济合算的方式将热转换成功，从而提高转换效率，并使燃烧气体达到尽可能的洁度。
上述目的的技术解决方案在于这种把热转换成功的方法和装置，是使一种气态燃料经受压缩并随后被燃烧，由于燃烧而引起的体积膨胀被利用来获得机械功，其中气态燃料的燃烧在一填充在燃烧室中的多孔体中进行。
按照本发明提出的方法，采用了使压缩的气态燃料的燃烧在一多孔体中发生的措施。压缩的气态燃料在一多孔体中实现的非常成功的无焰燃烧，带来的是完全的低污染物含量的燃烧。因此，不需要对燃烧气体进行昂贵的催化净化，或者不需要从废气流中分离燃烧残留物了。利用这一方法可高效率地将热转换成功，尤其可以使用易于处理的液态燃料，例如轻燃料油、汽油之类。
按照一个设计特征，气态燃料在多孔体中燃烧之前加以预热。在先行燃烧过程中传递给多孔体的热量有利地用于上述预热目的。气态燃料的预热带来特别均匀的分配，从而有助于实现完全的低污染物含量的燃烧。
按照另一个设计特征，多孔体与压缩室相连。例如可将多孔体填充在据以前技术已知的内机上的燃烧室中，例如汽油内燃机、柴油内燃机、汪克尔发动机等。
空气或气态燃料可直接供应给压缩室。但也可以通过多孔体将空气或气态燃料提供给压缩室。在此情况下，甚至在空气或气态燃料被送入压缩室的同时，已在多孔体中得到预热，多孔体是由于先行的燃烧而被预热过的。
空气或气态燃料随后被送入多孔体中，同时被压缩。压缩过程促成进一步加热。
按照另一个设计特征，空气/燃料混合物也可以在多孔体室的外面进行生产。例如在一个汽化器中(混合气体形成器中)生产出来。至此最根本的是，空气已经从燃烧室被转送至多孔体中，空气/燃料混合物也可以在多孔体内形成，燃料是直接提供给多孔体的。上述过程例如可采用高压喷射液态燃料的方式来实现在。这种情况下，燃料最好在多孔体中加以汽化。另外，在先行的燃烧过程中被传递给多孔的热量也可以用于上述汽化目的。汽化带来的是燃料同压缩空气的均匀混合。这种气态燃料最好是一种空气/燃料混合物或一种可燃气体例如丙烷或丁烷。
根据另一个有利的设计特征，气态燃料可在多孔体中与燃烧气体进行混合。也可以在多孔体的外面使空气或气态燃料与燃烧气体进行混合，最好在压缩室中进行。与热的燃烧气体进行混合，可使空气或气态燃料进一步得到预热。燃烧气体被置于进一步燃烧的条件下。其结果是，可能存在的有害燃烧残留物被消除了。特别是实现了清洁的燃烧。
根据一个特别有利的特征，燃烧气体当其从压缩室发射出来时，被引导通过多孔体，与此同时被置于热反应条件下。跟随燃烧后面的热反应的结果，是有害的燃烧气体得以消除。在这种情况下，有利的做法是将先行的燃烧过程中传递给多孔体的热用来实现热反应。
使燃烧气体直接从压缩室发射出来，这也是可行的。尤其在使用一种特别低残留物含量的燃料时，上述做法是合适的。
以使用液态燃料为宜，例如使用乙醇、汽油以及轻燃料油之类作燃料。最后，也可以考虑使用一种粉状固体例如煤粉与空气相混合。
根据另一个解决方案，在一个装置中使热转换成功，这里所采取的措施是使被压缩的气态燃料的燃烧在一多孔体中发生。被压缩的气态燃料在一多孔体中非常成功的无焰燃烧能实现完全的低污染物含量的燃烧。因此，不需要对燃烧气体进行昂贵的催化净化处理，也不需要从燃烧气体的废气流中分离燃烧残留物。这样，可以高效率地将热转换成功，尤其使用易于处理的液态燃料如轻燃料油、汽油之类时更是如此。
就这种方法所已经描述过的一些实施例应用于上述装置。此外，下面举出的其他实施例都是值得一提的：
可设置一个进入口，该进入口至少有一个进入孔通连压缩室或通连多孔体。进入口是用来供给空气或气态燃料的。同样地，可以设置一个排出口，该排出至少有一个排出孔通连压缩室或通连多孔体。排出口是用来排放燃烧气体的。进入孔和排出孔都可以用一个周期地控制的关闭装置加以关闭，例如用一个可借助一凸轮轴起动的阀。如果进入孔通连多孔体，所供给的空气或气态燃料便流过多孔体。由于多孔体已在先行的燃烧过程中被加热过，所以空气或气态燃料在此得到预热。如果排出孔通连多孔体，则从压缩室发射出来的燃烧气体被引导通过热的多孔体、与此同时被置于热反应即二次燃烧之下。热反应使得可能已形成的有害燃烧气体得以消除。
所提供的一种用于将热转换成机械功的驱动装置，它可以有一个活塞、一个旋转式活塞或一个透平转子。就活塞而言，压缩室最好由一个气缸和一个活塞来定界，该气缸的一边用一个气缸头封闭，该活塞可以依往复运动移动。在这种情况下，多孔体可以固定在气缸头上，在多孔体和气缸头之间最好配置一种优先用陶瓷做的绝热层。
根据另一个设计特征，多孔体依径向朝外凸起，可以从压缩室伸延至进入孔和/或排出孔的附近。依这一方法设计的一种多孔体最好是由气缸头上依径向连续的凹槽形成。此外，可以将多孔体安置在活塞头上，最好安置在活塞头上所设置的凹槽中。在此情况下，已经证明，为冷却活塞头配置一个装置是有利的。利用该装置例如可以将油喷射在与多孔体相对峙的活塞头下侧上。
根据另一个设计特征，多孔体有一个连通的多孔内腔。它最好用金属特别是高级钢或陶瓷如氧化铝、氮化铝、氧化锆、氧化钛、碳化硅之类做成。为了创造最佳的流通条件，多孔体可以有若干个层，各个层具有不同的平均孔眼直径。
气态燃料可以是一种空气/燃料混合物，或者一种可燃气体。使用一种由粉状固体如煤粉和空气组成的混合物也是可行的。
根据另一个设计特征，可以在多孔体的外面设置一个用来生产空气/燃料混合物的装置[原文如此]。这个装置可以是一个汽化器。有利的是，可以设置一个装置用来将燃料供给到压缩室中，或者供给到多孔体中。这个装置可以是一个与喷射泵相连的喷嘴。
下面将参照附图对本发明的几个示范性的实施例做较详细的说明。附图是：
图1一个第一内燃机的汽缸横截面示意图，活塞处于顶端死点，
图2图1所示横截面图，处于抽吸冲程，
图3图1所示横截面图，处于压缩冲程，
图4按图1所示的横截面示意图，处于压缩冲程中，并在喷射燃料的情况之下，
图5按图1所示的横截面示意图，处于压缩冲程的终端，并在引燃过程中，
图6按图1所示的横面示意图，处于工作冲程，
图7按图1所示的横截面示意图，处于发射冲程中，
图8一个第二内燃机的汽缸横截面示意图，活塞处于顶端死点，
图9按图8所示的横截面示意图，处于抽吸冲程中，
图10按图8所示的横截面示意图，处于压缩冲程中，
图11-按图8所示的横截面示意图，处于压缩冲程中，并在燃料喷射情况下，
图12按图8所示的横截面示意图，处于压缩冲程的终端，并处于引燃过程中，
图13按图8所示的横截面示意图，处于工作冲程中，
图14按图8所示的横截面示意图，处于发射冲程中，及
图15一个第三内燃机的汽缸横截面示意图。
图1至8是一个第一内燃机的汽缸1的横截面示意图。活塞2可移位地被容纳在汽缸1中，它处于顶端死点。进入口3有一个进入孔4，通连到压缩室5中。一个排出口6有一个排出孔7，通连到多也体8中。多孔体8基本上充满了汽缸头9和处于顶端死点的活塞2之间的空间。进入孔4可以利用一个进入阀10加以封闭，排出孔7可以利用一个排出阀11加以封闭。
图8至14示明一个第二内燃机的汽缸1的横截面示意图。多孔体8在这里被设置在依径向连续的凹槽13中，该凹槽做成在汽缸头9上，位于一个单一进入和排出孔12附近。圆锥形孔面14将多孔体8连接到压缩室5。圆锥形孔面14沿着压缩室5的方向扩宽。活塞2有一个中心凸起部16在活塞头15上。活塞头15的几何构形与压缩室5的几何构形相一致，因此，在顶端死点，活塞头15的边界位于压缩室5的边界附近。设置了单一的进入和排出阀17，以之用于关闭进入和排出孔12。
多孔体8有一个依径向的内层8a，具有第一孔眼直径，和一个依径向的外层8b，具有第二孔眼直径。第二孔眼直径大于第一孔眼直径。
图15示明一个第三内燃机的汽缸1的横截面示意图。在这里，多孔体8形成在活塞头15上所设置的中心凹穴中。该凹穴完全用多孔体8填充。在这里，多孔体8随着活塞2依照往复运动移动。为了防止活塞头15过热，配置了一个装置(图中未示出)，利用该装置可将油喷射在活塞2的朝曲轴方向的下侧上。
图1至8所示第一内燃机的如下工作：
在图2所示抽吸冲程中，活塞2从汽缸头9移开。进入阀10被打开。由于在汽缸1中形成真空之故，空气通过进入孔4被吸进到压缩室5中。于是，进入阀10关闭，活塞2沿着汽缸头9的方向移动。在此情况下，被吸入的空气受到压缩，与此同时被强制进入多孔体8。这一所谓的压缩冲程见图3中所示。在活塞快要达到顶端死点之前，液态燃料被喷入多孔体8中，如图4所清楚示明的。由于在先行的燃料过程中在多孔体8中存储的热的作用，被喷入的液态燃料发生汽化。于是得到一种高紊动的空气/燃料混合物。上述高紊动的空气/燃料混合物进一步受到压缩和被加热，直到活塞2达到顶端死点。这一情形见图5所示。压缩行为尤其确保达到这样的目的：在活塞处于顶端死点时，空气/燃料混合物的引燃温度得以超过。在多孔体8中，空气/燃料混合物发生自发性的引燃和无焰燃烧。由此产生的体积膨胀将活塞2从汽缸头9挤开。这一所谓的工作冲程见图6中所示。
图7示明发射冲程。在此情形下，活塞2再次沿着汽缸头9的方向移动。排出阀11打开。燃烧气体被强制通过热的多孔体8，进入排出口6。当燃烧气体通过多孔体8时，经受到一种热反应。在此时间内，有害的燃烧气体被消除。净化过的燃烧气体离开多孔体8。排出阀11随即再关闭，一个新的工作循环又以一个吸入冲程而开始。
在连续操作过程中，由每次先行的燃烧而保存在多孔体8中的燃烧气体用于加热空气/燃料混合物。上述的燃烧气体经受第二次燃烧。这一点也有助于实现特别低污染物含量的燃烧。
图8至14中所示第二内燃机，其功能作用如下：
在图9所示的抽吸冲程中，单一进入和排出阀17被打开。通过进入孔4，空气被吸入到压缩室5中。由先行的燃烧保留下来的燃烧气体同时被吸出多孔体8，而进入压缩室5。在图10所示的压缩冲程中，单一的进入和排出阀17被关闭，活塞2沿着汽缸头9的方向移入汽缸1中。由空气和燃烧气体组成的混合物受到压缩。并被强制进入多孔体8中。于是，液态燃料被喷入压缩室5中，如图11中所示。一种高紊动的空气/燃料混合物得以形成，当受到进一步压缩时，该混合物被强制进入多孔体8，并自动地在此引燃(见图12)。
由于在同一时间发生的体积膨胀之故，燃烧气体被从多孔体8转移到压缩室5中。活塞2同时地从汽缸头9移开。这一情形见图13中所示意地示明的。
跟随而至的是排放冲程。如从图14可以清楚看出的，单一的进入和排出阀17打开。活塞2同时地沿着汽缸头9的方向移动。燃烧气体被强制离开压缩室5。在发射冲程中，小部分的燃烧气体进入多孔体8中。这一部份燃烧气体在下一个循环中要经受再燃烧。
在图15所示的第三内燃机上，多孔体8被设置在活塞头15上。这一方案在使用一种空气/燃料混合物或者使用一种在压缩室5外面生产的可燃气体的条件下，是特别适合的。
名称代号一览表
1汽缸
2活塞
3进入口
4进入孔
5压缩室
6排出口
7排出孔
8多孔体
8a内层
8b外层
9汽缸头
10进入阀
11排出阀
12进入和排出孔
13凹穴
14孔面
15活塞头
16凸起部
17进入和排出阀
Claims (33)
1.把热转换成功的方法，一种气态燃料经受压缩并随后被燃烧，由于燃烧而引起的体积膨胀被利用来获得机械功，其特征在于：气态燃料的燃烧在一填满燃烧室的多孔体(8)中进行。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：气态燃料在多孔体(8)中燃烧之前被预热过。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：多孔体(8)与一压缩室(5)相连。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：空气或气态燃料是直接输供给压缩室(5)的。
5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：空气或气态燃料是通过多孔体(8)而输供给压缩室(5)的。
6.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：空气或气态燃料在被压缩的同时被从压缩室(5)转入到多孔体腔中。
7.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：气态燃料在多孔体(8)中与燃烧气体相混合。
8.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：空气或气态燃料在多孔体(8)的外面与燃烧气体相混合，最好在压缩室(5)中相混合。
9.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：燃烧气体当其从压缩室(5)中被发射出来时被引导通过多孔体(8)，与此同时经受一次热反应。
10.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于；燃烧气体直接从压缩室(5)被发射。
11.按照权利要求1或2所述的方法其特征在于：空气/燃料混合物或一种可燃气体如丙烷或丁烷用作为气态燃料。
12.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：空气/燃料混合物基本上是在多孔体(8)的外面生产的。
13.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：空气/燃料混合物基本上是在多孔体(8)内生产的，燃料依此法是直接输供给多孔体(8)的。
14.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：燃料在多孔体(8)中加以汽化的。
15.将热转换成功的装置，一种气态燃料是可以被压缩的，而且是可以随后被燃烧的，而且在燃烧过程中引起的体积膨胀可以被转换成机械功，其特征在于：气态燃料的燃烧是在填满燃烧室的多孔体(8)中进行的。
16.按照权利要求15所述的装置，其特征在于：气态燃料在多孔体(8)中燃烧之前可以被预热。
17.按照权利要求15或16所述的装置，其特征在于：多孔体(8)被连接到一个压缩室(5)。
18.按照权利要求15或16所述的装置，其特征在于：一个进入口(3)至少有一个进入孔(4)与压缩室(5)相通，或者与所设置的多孔体(8)相通。
19.按照权利要求15或16所述的装置，其特征在于：一个排出口(6)至少有一个排出孔(7)与压缩室(5)相通或者与所设置的多孔体(8)相通。
20.按照权利要求15或16所述的装置，其特征在于：配备了一个驱动装置，用于将热转换成功，驱动装置有一个活塞(2)，一个旋转的活塞或一个透平转子。
21.按照权利要求15或16所述的装置，其特征在于：压缩室(5)由一个汽缸(1)和一个活塞(2)所定界，汽缸的一侧利用一个汽缸头(10)加以封闭，活塞可按往复运动移动。
22.按照权利要求21所述的装置，其特征在于：多孔体(8)被固定在汽缸头(10)上。
23.按照权利要求21所述的装置，其特征在于：在多孔体(8)和汽缸头(10)之间设置一个热绝缘层，最好是用陶瓷做成的热绝缘层。
24.按照权利要求15或16所述的装置，其特征在于：径向地朝外凸起的多孔体(8)从压缩室(5)伸延至进入孔(4)和/或排出孔(7)的附近。
25.按照权利要求15或16所述的装置，其特征在于：在多孔体(8)中配置了一个用于引燃气态燃料的装置。
26.按照权利要求22所述的装置，其特征在于：多孔体(8)被安置在活塞头(15)上。
27.按照权利要求26中所述的装置，其特征在于：配置了一个用于冷却活塞头(15)的装置。
28.按照权利要求15或16所述的装置，其特征在于：多孔体(8)有一个互通多孔腔。
29.按照权利要求15或16所述的装置，其特征在于：多孔体(8)是用陶瓷或金属制做的，最好用不锈钢制做。
30.按照权利要求15或16所述的装置，其特征在于：多孔体(8)有多个层(8a，8b)，具有不同的平均孔眼直径。
31.按照权利要求15或16所述的装置，其特征在于：气态燃料是一种空气/燃料混合物或一种可燃气体。
32.按照权利要求15或16所述的装置，其特征在于：用于生产空气/燃料混合物的装置被安置在多孔体(8)的外面。
33.按照权利要求15或16所述的装置，其特征在于：设置了一个装置，用来将燃料送入压缩室(5)或送入多孔体(8)。
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