CN110645051A - 高低温联合循环发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高低温联合循环发动机，包括燃料罐、氧化剂罐、第一热交换器、液态二氧化碳罐、第二热交换器、第三热交换器、第一气缸和第二气缸，所述第一气缸的内部安装有第一活塞，所述第二气缸的内部安装有第二活塞和火花塞，所述第一气缸的顶端固定连接有进气口，所述第二气缸的顶端固定连接有第二进气口，所述燃料罐和氧化剂罐的输出端分别连接有第二低温泵和第一低温泵。该高低温联合循环发动机采用液氧代替空气作为氧化剂，燃烧成分单一，燃烧更充分，可以实现零排放，并且可以在无空气的环境中工作，而燃烧后产生更高的压力和温度，提高了发动机效率。同时减少了氮氧化物，一氧化碳等有害气体排放。

Description

高低温联合循环发动机
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及高低温联合循环发动机。
背景技术
LNG作为一种新兴能源，其主要成分是甲烷。LNG具有无色、无味、无毒且无腐蚀性的特性，其体积约为同量气态天然气体积的1/650，LNG的重量仅为同体积水的45％左右，LNG作为燃料携带在汽车上重量也较轻，因此已经用在很多汽车发动机上，但没有专门针对LNG的发动机，使用的还是四冲程的发动机，用空气作为氧化剂。由于空气中含有大部分的氮气，燃烧时会带走大量的热量，还会生成氮氧化物，一氧化碳等有害气体。而且LNG气化后的生成的高压气体所蕴含的能量没有被利用，白白浪费，并且四冲程发动机有吸气，压缩，做功，排气四个冲程，只有做功冲程是输出冲程。其存在以下缺点：
1.需要额外的启动设备，运行过程中不能停顿，否则就要重新启动；
2.效率低，目前最高的热效率一般不超过40％；
3.燃料燃烧后产生大量的废气污染环境。
针对发动机而言，传统发动机一般分为外燃机和内燃机，外燃机在气缸外部加热工质，推动气缸内的活塞做功，如早期的蒸汽机。优点是只有进气和排气两个冲程，缺点是需要水作工质，体积大，效率低。内燃机是燃料和空气混合气体在气缸内燃烧，产生高温高压气体推动活塞做功，如现在的汽油，柴油发动机，缺点是燃烧前需要将混合气体压缩，需要4个冲程，只有一个冲程做功，其余三个冲程消耗能量，效率低，且燃烧后产生污染性气体，不同工况下，发动机效率差别大，因此，需要设计一种高效利用LNG的高低温联合循环发动机以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供高低温联合循环发动机，以解决上述背景技术中提出的需要额外的启动设备，运行过程中不能停顿，否则就要重新启动；效率低和燃料燃烧后产生大量的废气污染环境的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：高低温联合循环发动机，包括燃料罐、氧化剂罐、第一热交换器、液态二氧化碳罐、第二热交换器、第三热交换器、第一气缸和第二气缸，所述第一气缸的内部安装有第一活塞，所述第二气缸的内部安装有第二活塞和火花塞，所述第一气缸的顶端固定连接有进气口，所述第二气缸的顶端固定连接有第二进气口，所述燃料罐和氧化剂罐的输出端分别连接有第二低温泵和第一低温泵，所述第二低温泵和第一低温泵远离燃料罐和氧化剂罐的一端皆穿过第一热交换器、第二热交换器和第三热交换器与进气口相连接，所述进气口与第一低温泵输出端的连接处安装有第一电磁阀，所述进气口与第二低温泵输出端的连接处安装有第二电磁阀，所述液态二氧化碳罐的输出端固定连接有第三低温泵，所述第三热交换器的输出端连接有第四热交换器，所述第三低温泵的输出端依次穿过第四热交换器、第二热交换器和第三热交换器与第二进气口相连接，所述第四热交换器的输出端与第一热交换器的输入端相连接，所述第一气缸上设置有第一排气口，所述第一排气口远离第一气缸的一端与第二进气口的输入端相连接，所述第一排气口靠近第二进气口的一端安装有第三电磁阀，所述第一热交换器的输出端与液态二氧化碳罐的输入端相连接。
优选的，所述第二热交换器上开设有空气入口。
优选的，所述第二气缸的右侧固定连接有第二排气口，所述第二排气口远离第二气缸的一端延伸至第三热交换器内部。
优选的，所述第一热交换器上设置有第三排气口。
优选的，所述第一气缸为活塞式气动马达，所述第二气缸为二冲程活塞式马达。
优选的，所述第一气缸和第二气缸的数量可根据实际情况及需要进行配置，不限于1:1。
优选的，所述第一低温泵、第二低温泵、第三低温泵、进气口、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀的输入端皆与汽车内部的控制单元的输出端相连接。
优选的，所述燃料罐中灌入的气体为LNG气体，所述燃料罐中也可灌入其余低温燃料进行使用。
优选的，所述氧化剂罐中的氧化剂为液氧。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该高低温联合循环发动机通过采用LNG和液氧作为燃料和氧化剂，利用液态气体吸收热量气化后产生的高压气体去推动第一气缸的活塞工作，排放后的混合气体再进入第二气缸内燃烧，排放的高温水蒸气和二氧化碳气体与低温的LNG和液氧，液态二氧化碳以及空气进行三次热交换，变成液态的水和液态的二氧化碳。液态二氧化碳又可以吸收热量产生高压的二氧化碳气体，进入第二气缸膨胀，推动活塞做功，将外燃机和内燃机结合在一起，取长补短。外燃机以LNG，液氧或二氧化碳作为工质，以内燃机排放的高温气体作为热源。内燃机以外燃机排放的混合气体作为燃料。内燃机排放的高温气体与外燃机的工质进行热交换，生成液态的水和液态的二氧化碳。液态的二氧化碳又可以作为外燃机的工质循环利用。内燃机没有专门的燃烧室，用活塞到达上止点后向下移动产生的间隙作为燃烧室，可以随意调整燃烧室的大小，保持混合气体的压缩比；
(1)、本发明采用液氧代替空气作为氧化剂，燃烧成分单一，燃烧更充分，可以实现零排放，并且可以在无空气的环境中工作，而燃烧后产生更高的压力和温度，提高了发动机效率；
(2)、采用高低温联合循环方式，取长补短，减少了能量损失，大幅提高了发动机效率，可以利用高压气体启动，无需专门的启动马达，可以随时启停，同时由于不需要启动马达，所以无需大容量的蓄电池；
(3)、本发明的内燃机只需要两个冲程，增加了发动机输出功率，减小了发动机的体积，减少震动；
(4)、采用可变体积燃烧室，保持高压缩比，即使在低负荷工况下也能保持高效率；
(5)、由于LNG，液氧的沸点远低于二氧化碳，可以通过热交换将排放的二氧化碳液化回收循环利用；
(6)、由于系统既有高温热源，也有低温冷媒，不再需要制冷制热设备。
附图说明
图1为本发明的连接流程示意图；
图2为本发明的半个朗肯循环和半个奥托循环连接流程示意图；
图3为本发明的朗肯循环连接流程示意图。
图中：1、燃料罐；2、氧化剂罐；3、第一低温泵；4、第二低温泵；5、第一热交换器；6、第三低温泵；7、液态二氧化碳罐；8、第二热交换器；9、第三热交换器；10、第四热交换器；11、第一气缸；12、第二气缸；13、第一活塞；14、第二活塞；15、第一排气口；16、第二排气口；17、第二进气口；18、空气入口；19、第三排气口；20、进气口；21、第一电磁阀；22、第二电磁阀；23、第三电磁阀；24、火花塞；25、第四电磁阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合具体附图1至图3对本发明提供的高低温联合循环发动机的实现进行详细地描述。
参阅附图1，高低温联合循环发动机，包括燃料罐1、氧化剂罐2、第一热交换器5、液态二氧化碳罐7、第二热交换器8、第三热交换器9、第一气缸11和第二气缸12，第一气缸11的内部安装有第一活塞13，第一气缸11为活塞式气动马达，第二气缸12为二冲程活塞式马达，本发明采用活塞式发动机，利用同样原理将本发明中的气缸换成涡轮，也可以设计成涡轮发动机，且本发明的所有零件都是现有技术，且都要根据具体情况定制，第一低温泵3、第二低温泵4、第三低温泵6、进气口20、第一电磁阀21、第二电磁阀22、第三电磁阀23和第四电磁阀25的输出端皆与汽车内部的控制单元的输入端相连接，在实际操作的过程中，汽车内部的控制单元控制电磁阀和低温泵启动，由于其控制原理为本领域人员已熟知的现有技术，故在此不再加以阐述。
第二气缸12的内部安装有第二活塞14和火花塞24，第一气缸11的顶端固定连接有进气口20，第二气缸12的顶端固定连接有第二进气口17，燃料罐1和氧化剂罐2的输出端分别连接有第二低温泵4和第一低温泵3，第二低温泵4和第一低温泵3远离燃料罐1和氧化剂罐2的一端皆穿过第一热交换器5、第二热交换器8和第三热交换器9与进气口20相连接，第一热交换器5上设置有第三排气口19，第二热交换器8上开设有空气入口18，进气口20与第一低温泵3输出端的连接处安装有第一电磁阀21，进气口20与第二低温泵4输出端的连接处安装有第二电磁阀22，液态二氧化碳罐7的输出端固定连接有第三低温泵6，第三热交换器9的输出端连接有第四热交换器10，第三低温泵6的输出端依次穿过第四热交换器10、第二热交换器8和第三热交换器9与第二进气口17相连接，第四热交换器10的输出端与第一热交换器5的输入端相连接，第一气缸11上设置有第一排气口15，第一排气口15远离第一气缸11的一端与第二进气口17的输入端相连接，第一排气口15靠近第二进气口17的一端安装有第三电磁阀23，第一热交换器5的输出端与液态二氧化碳罐7的输入端相连接，第二气缸12的右侧固定连接有第二排气口16，第二排气口16远离第二气缸12的一端延伸至第三热交换器9内部。
实施例一，参阅附图1，LNG储存在燃料罐1内，液氧储存在氧化剂罐2内。发动机工作时，第一低温泵3和第二低温泵4启动，将LNG和液氧泵入第一热交换器5，与二氧化碳气体进行热交换，二氧化碳气体在这里被凝结成液态储存在液态二氧化碳罐7内。LNG和液氧继续进入第二热交换器8，与空气进行热交换，吸收空气中的热量，给空气降温，同时变成气态的天然气和气态的氧气或者气液混合体，进入第三热交换器9。在第三热交换器9里，天然气，氧气和第二排气口16排出的高温废气进行热交换，高温气体温度降低，一部分凝结成水排出，剩下的二氧化碳进入第一热交换器5。低温的天然气和氧气被加热成常温高压的气体经第一电磁阀21和第二电磁阀22从进气口20喷入第一气缸11，推动第一活塞13运动做功，并在第一气缸11内混合成混合气体。气压降低后的混合气体从第一排气口15排出，通过第三电磁阀23进入第二气缸12，由火花塞24点火燃烧，产生高温高压的水蒸气和二氧化碳气体，推动第二活塞14运动做功。温度和压力降低后的废气经第二排气口16进入第三热交换器9降温，再进入第四热交换器10，与低温的二氧化碳进行热交换后，进入第一热交换器5，与低温的天然气氧气进行热交换，生成液态二氧化碳进入液态二氧化碳罐7储存。多余气体从第三排气口19排出。液态二氧化碳罐7内的液态二氧化碳经第三低温泵6输送通过第四热交换器10、第一热交换器5和第二热交换器8进行热交换气化后生成高压气体，经第四电磁阀25进入第二气缸12推动第二活塞14做功。
高压二氧化碳气体在第二气缸12做功与混合气体在第二气缸12燃烧做功根据工况交替进行，也可以三种气体混合燃烧。高压气体驱动气动马达做功，能量转换效率一般不超过60％，排出的混合气体仍有较高的压力。而普通的内燃机有四个冲程，吸气冲程吸入空气和燃料，压缩冲程把吸入的空气和燃料进行压缩，使空气和燃料压缩成一定压缩比的混合气体。然后点火燃烧。本发明从第一气缸11排出气体已经是充分混合的带有一定压力的混合气体，所以进入第二气缸12后不需要再压缩，第二气缸12省去了两个冲程。第一气缸11废弃的能量被第二气缸12直接利用，不用再消耗能量去压缩气体。第二气缸12省去了两个冲程，也提高了一倍的功率输出。
实施例二，如图1所示的发明内容，可以拆开成图2和图3两个部分.图2由半个朗肯循环和半个奥托循环组成。图3则是一个完整的朗肯循环，图3的循环可以多次递归。图2，图3可以合并成一个系统，也可以各自组成单独的系统。
图3的朗肯循环采用二氧化碳作为工质，是因为二氧化碳的沸点适中，容易得到，安全。冷凝剂可以采用液氧，LNG，液氮等沸点更低的气体。
结合实施例一和实施例二，本发明采用纯氧进行燃烧，既提高了燃烧温度，燃烧速度，又提高了燃烧效率，即提高了发动机的效率。同时减少了氮氧化物，一氧化碳等有害气体排放。
其中第一气缸11和第二气缸12的数量根据实际需要进行配置，不限于1:1。
由于不需要进气和压缩冲程，第二气缸12无需专门的燃烧室，本发明利用第二活塞14在第二气缸12到达上止点向下移动产生的空隙作为燃烧室，可以根据需要调节燃烧室的大小，调节混合气体压力，使发动机效率达到最佳。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.高低温联合循环发动机，包括燃料罐(1)、氧化剂罐(2)、第一热交换器(5)、液态二氧化碳罐(7)、第二热交换器(8)、第三热交换器(9)、第一气缸(11)和第二气缸(12)，其特征在于：所述第一气缸(11)的内部安装有第一活塞(13)，所述第二气缸(12)的内部安装有第二活塞(14)和火花塞(24)，所述第一气缸(11)的顶端固定连接有进气口(20)，所述第二气缸(12)的顶端固定连接有第二进气口(17)，所述燃料罐(1)和氧化剂罐(2)的输出端分别连接有第二低温泵(4)和第一低温泵(3)，所述第二低温泵(4)和第一低温泵(3)远离燃料罐(1)和氧化剂罐(2)的一端皆穿过第一热交换器(5)、第二热交换器(8)和第三热交换器(9)与进气口(20)相连接，所述进气口(20)与第一低温泵(3)输出端的连接处安装有第一电磁阀(21)，所述进气口(20)与第二低温泵(4)输出端的连接处安装有第二电磁阀(22)，所述液态二氧化碳罐(7)的输出端固定连接有第三低温泵(6)，所述第三热交换器(9)的输出端连接有第四热交换器(10)，所述第三低温泵(6)的输出端依次穿过第四热交换器(10)、第二热交换器(8)和第三热交换器(9)与第二进气口(17)相连接，所述第四热交换器(10)的输出端与第一热交换器(5)的输入端相连接，所述第一气缸(11)上设置有第一排气口(15)，所述第一排气口(15)远离第一气缸(11)的一端与第二进气口(17)的输入端相连接，所述第一排气口(15)靠近第二进气口(17)的一端安装有第三电磁阀(23)，所述第一热交换器(5)的输出端与液态二氧化碳罐(7)的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的高低温联合循环发动机，其特征在于：所述第二热交换器(8)上开设有空气入口(18)。
3.根据权利要求1所述的高低温联合循环发动机，其特征在于：所述第二气缸(12)的右侧固定连接有第二排气口(16)，所述第二排气口(16)远离第二气缸(12)的一端延伸至第三热交换器(9)内部。
4.根据权利要求1所述的高低温联合循环发动机，其特征在于：所述第一热交换器(5)上设置有第三排气口(19)。
5.根据权利要求1所述的高低温联合循环发动机，其特征在于：所述第一气缸(11)为活塞式气动马达，所述第二气缸(12)为二冲程活塞式马达。
6.根据权利要求5所述的高低温联合循环发动机，其特征在于：所述第一气缸(11)和第二气缸(12)的数量可根据实际情况及需要进行配置，不限于1:1。
7.根据权利要求3所述的高低温联合循环发动机，其特征在于：所述第一低温泵(3)、第二低温泵(4)、第三低温泵(6)、进气口(20)、第一电磁阀(21)、第二电磁阀(22)、第三电磁阀(23)和第四电磁阀(25)的输入端皆与汽车内部的控制单元的输出端相连接。
8.根据权利要求1所述的高低温联合循环发动机，其特征在于：所述燃料罐(1)中灌入的气体为LNG气体，所述燃料罐(1)中也可灌入其余低温燃料进行使用。
9.根据权利要求1所述的高低温联合循环发动机，其特征在于：所述氧化剂罐(2)中的氧化剂为液氧。
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