CN1313928A - 活塞式发动机的压缩和推顶系统 - Google Patents

Abstract

此系统设计用于活塞式发动机的压缩和推顶,应用范围在运输、动力工程和任何使用发动机的工程领域。与乞今使用的蒸汽、燃气和燃气－蒸汽热力学循环不同,本发明的目的是创造一种实现空气－蒸汽热力学循环的活塞式发动机的压缩和推顶系统。考虑到蒸汽只是用来补偿循环可逆性中的能量损失(质量流动约20－30%)而不是象蒸机和蒸汽轮机中那样用作全部的容积中,本发明创造把活塞式发动机的热效率增加到80－85%的可能性。压缩和推顶的系统含有:一个蒸汽发生器(SG)、一个推顶器(E)、一个活塞发动机(PE)、一个蒸汽－空气涡轮机(T)、一个空气压缩机(K)、一个热交换器(TE)、一个冷凝器(C)、一个活塞冷凝液泵(PC)、一个冷凝液储器(SR)和一个控制阀门(CV)。

Description

活塞式发动机的压缩和推顶系统

本发明涉及活塞式发动机的压缩和推顶系统，其应用范围是运输、动力工程和任何使用发动机的工程领域。

由热力学所公知，蒸汽动力机的理想循环是在设定温度上实现的卡诺循环，并且在所有可能的热循环中是热效率最高的，但是由琅基(Rankine)提出的改型循环在蒸汽动力机中得到了应用。

还公知，在燃气轮机中把燃气和水蒸汽结合的燃气-蒸汽循环，但是其热效率不可能高于各个支循环的热效率。在某种情况下，按照复式汞-水动力机的模式，燃气-蒸汽循环具有一个高温范围的燃气轮机级和一个低温范围的汽轮机级。这种情况下，热效率高于独立的分循环(燃气循环和蒸汽循环)各自的效率，但是这使动力机显著地复杂了。

公知于专利RU2054563C1中的一种燃气-蒸汽发动机具有一种前向流动蒸汽发生器，其输出连接到一种混合室的工作喷嘴上，并且导向装置安装在Laval氏喷嘴的出口上，Laval氏喷嘴的入口与混合室中的工作喷嘴同轴，蒸汽与燃气在混合室中相混合而驱动固定在一个导热盘上的入流涡轮机的叶片，等等。

在EP0619417A1专利上还公开了一种再生式燃气轮机，这里燃气轮机单元包括：一个压缩空气用的压缩机、一个燃烧燃料的燃烧器和一个由燃气驱动的涡轮机，用于驱动压缩机。一个由蒸汽驱动的混合器注入空气并将其与蒸汽混合。在涡轮机的下游安排一个热交换器以用涡轮机废气的热加热来自混合器的混合气体。设有一个空气管线将一个从压缩机来的压缩空气的第一部分送到燃烧器，并且将一个压缩空气的第二部分送到混合器。来自混合器的混合气体经热交换器而引入到燃烧器。混合器既可以包括一个汽轮机驱动的压缩机也可以包括一个推顶器。

公知一种蒸汽发动机，US07/967,289(WO94/10427)专利，使用一个由压缩的非燃烧空气成分、燃料燃烧产物和蒸汽混合物构成的工作流体。在所述的新循环中，以恒定的温度和压力提供工作流体。燃气通过一或者多级压缩绝热地供应。燃烧至少40％的压缩空气。用高压注入惰性的成分以产生蒸汽，并且以此提供涡轮机或者另外类型的系统内冷所需要的蒸气。

上述专利的主要缺点是空气的利用是用经发动机的燃烧室通过而实现的，在结构中没有致冷装置，实际上没有增加热效率，并且，燃气轮机在低转速和工作流体压力低时不能有效地运转。

蒸汽发动机的其它缺点是公知的：大的蒸汽锅炉、因高热函排出蒸汽要求的大型致冷装置、热效率低下、因必不可少的蒸汽管线造成的庞大重量和体积，所有这些都决定了其使用主要在烧煤的热电厂。因此，其在运输上的应用则受此限制。

本发明的一个目的是创造一种压缩和推顶活塞式发动机的系统，以实现一种空气-蒸汽式热力学循环，它不同于乞今所用的蒸汽、燃气和燃气-蒸汽热力学循环。

这个问题的解决是通过以特殊的方式联接一个蒸汽发生器(SG)、一个推顶器(E)、一个活塞发动机(PE)、一个蒸汽-空气涡轮机(T)、一个空气压缩机(K)、一个热交换器(TE)、一个冷凝器(C)、一个活塞冷凝液泵(PC)、一个冷凝液储器(SR)和一个控制阀门，所述这些形成一个压缩和推顶活塞式发动机的系统。图2示出一个简化图。

如果活塞式发动机的工作符合p-v曲线(图1)，可以描述以下的过程：来自蒸汽发生器的高压蒸汽压力为p1(p.1)然后从推顶器的喷嘴流出，在扩散器中高速地膨胀成压力p2，在活塞式发动机的气缸中引入压力为p6到压力为p2的压缩空气。从(p2)至(p3)空气-蒸汽混合物在发动机中等压膨胀，克服外阻力做功。在活塞的做功冲程结束时，外流开口打开，然后压力为p3(p.3)的空气-蒸汽混合物在涡轮机驱动的压缩机的工作轮中绝热地膨胀到大气的压力p4(p.4)。从(p.4)到(p.5)，空气-蒸汽混合物通过冷凝器，被从压缩机吸入的空气冷却。排出的蒸汽在冷凝器中冷凝结，离开冷凝器的空气温度是70-80℃。从(p.5)到(p.6)压缩的加热空气在推顶器的混合室中与进入的蒸汽混合，然后在活塞式发动机的气缸中增加其压力到p2(p.1)。

从曲线图可以看出，由于在涡轮机驱动的压缩的能量损失，在压缩的绝热部分6-2沿路线2-3-4-5-2循环是不可能闭合的。因此必须增加压缩的压力以能够利用压缩空气的能量用于活塞式发动机的做功。这是利用一种蒸汽喷射推顶器实现的，它在本质上是一种喷射式压缩机，并且结构简单。

具有压缩和推顶系统的活塞式发动机的做功路径表明经一个分级的路线非常紧凑地使用蒸汽热函，即经过由两个绝热和一个压的1-2-3-4路径。使用混合的气-蒸汽循环表明在发动机的全部容量中使用的蒸汽锐减，从而显著地增加发动机的热效率，把蒸汽发生器和冷凝器的尺寸降低到最小的程度，并且增加其移动性。

具有压缩和推顶的系统的优越性在于它使用大气而不是废气冷却冷凝器并且把蒸汽冷凝释放的热和空气-蒸汽混合器处空气冷却释放的热返回给发动机。考虑到蒸汽只是用来补偿循环可逆性中的能量损失(质量流动约20-30％)而不是象蒸机和蒸汽轮机中那样用作全部的容积中这有利于急剧地增加循环的可逆性，并且由此增加热效率。它使得可以达到80-85％的热效率，与现实的有效值比会使燃料的消耗量减少2至3倍，

尽管工作压力和工作温度不高，具有压缩和推顶的发动机的功率与相应排汽油或者柴油量的发动机的功率相当，因为工作压力与内燃机的有效压力Pe等效，并且是两个冲程的一个做功过程。另外还避免了发动机冷却和把转动量传动到轮的机械传动的需要。其它的重要的优点是具有压缩和推顶的系统的发动机高度耐磨损和无噪音运转。

本发明的实现示作附图的举例，其中：

图1用p-v曲线示出压缩和推顶的热力学过程。

图2是压缩和推顶系统的示意图。

图3是压缩和推顶系统的详细图示。

可以利用图3更加详细地说明本发明。

根据本发明，压缩和推顶的系统含有：一个冷凝器22，其核心安装着通风罩31，后面的通风罩是牢固地固定的，而前面的通风罩借助于一个扁线式双金属弹簧29、一个杠杆30和一个弹簧28安装的(见图示C)。在冷凝器的上部固定着一个热交换盘管23，冷凝器的下部做成一个凝液储器25，其中安装一个浮子26和一个针式浮子27，凝液储器25经一个管子联接到其中安装一个冷凝盘管2的凝水储器3，盘管2的出口安装一个控制阀门7。蒸汽发生器14联接到推顶器12的高压部分，推顶器的出口连接到活塞式发动机24的入口，活塞发动机的排气部联接着空气-蒸汽涡轮机5。在冷凝器上，安装压缩机4和空气-蒸汽涡轮机5，形成一个涡轮机驱动的压缩机，并经开孔联接冷凝器22，所述压缩机开孔由一个借助于通风罩31联接的阀门关闭。压缩机4经热交换器6与推顶器12的低压扩张器10联接，所述的低压扩张器受精密弹簧8的压迫并且由套环9封闭，并且在其中放置有低压型辊17，型辊在它们的圆柱形表面上有半圆柱形的槽，槽的截面各不相同，其中安装进坚硬的销杆18。小尺寸的高压型辊16安装在高压扩张器11内，其中放置推压销杆15，并且扩张器11受弹簧13的压迫。在活塞发动机24的曲轴上装配着凸轮盘35，它与固定在一个支架21上的活塞式凝水泵32接触，而该支架21安装在轴20上。活塞式凝水泵32联接着传动机构33，传动机构33耦连着一个置于有右手螺扣39的螺母中的有右手螺扣40的螺丝，并且借助于离合器套筒41联接一个置于有左手螺扣42的螺母中的有左手螺扣44的螺丝。螺母39和42一起安装进调节器43体内的一个切口中，并且安装进三角形板45的两个斜切口中，三角形板45经一个蒸汽发生器14的管子联接着压力调节器34，并且联接四杆机构19，四杆机构19与四杆机构36的推杆、配重37和V形支脚38安装在一起。活塞式凝水泵32的入口连接凝液储器25，而出口串连联接着热交换器盘管23、热交换器6和蒸汽发生器14。

为了证明使用本发明可以达到的优点，下面说明具有压缩和推顶的活塞式发动机的理论循环。

其热力学循环(图1)含有以下过程：1-2-推顶器中蒸汽的绝热膨胀；2-3-空气-蒸汽混合物在活塞发动机中的等压膨胀，3-4-空气-蒸汽混合物在涡轮机中的绝热膨胀；4-5-蒸汽的等压凝结；5-6-空气在压缩机中的绝热压缩。

观察根据p-v曲线(图1)的过程，可以看到活塞式发动机以一个蒸汽的、一个空气的和三个混合的空气-蒸汽循环工作。具有压缩和推顶系统的活塞式发动机的热力学过程说明如下。

活塞式发动机做的功等于压缩机和推顶器做的功之和：

L_pe=L_e+L_k=m_sc_p ^s(T₁-T₂)+m_ac_p ^a(T₂-T_atm),J/S

式中c_p ^a是空气的定压比热

c_p ^s是蒸汽的定压比热

或者L_pe=p₂Vs,J/S

式中Vs是发动机的第二容积，它等于空气-蒸汽混合物中蒸汽和空气的分容积之和：

Vs=Vss+Vsa，或者

Vs=nV₁/60,m³

式中V₁是发动机的排量m³，而n是发动机的每分钟转速

发动机的功率可以由下式确定：

N_pe=L_pe/1000,kw

能量守恒定律是计算能量平衡的基础。对于一个开放的热力学系统，根据能量守恒定律：入流量之和等于出流量之和：

∑Win=∑Wout

对于形变的功和绝对功之间的关系，可以写作：

l_d=l_abs

l_e+l_k=lpe,J/kg

用蒸汽和空气的质量流m_s、m_a分别乘以公式的左侧后，得到：

m_sl_e+m_al_k=L_pe,(1)

L_e+L_k=L_pe,J/S

为了确定两个未知数-发动机中的蒸汽质量流量m_s和空气的质量流量m_a，必须得出第二个公式，即涡轮机驱动的压缩机中的绝热做功的关系，由此找到ms和ma之间的关系，然后代入到公式(1)中：

m_al_k=ηtk(m_al^a _t+m_sl^s _t)(2)

或L_k=ηtkL_t

从以此方式实现的有压缩和推顶的活塞式发动机的循环过程，可以看出引入发动机的热来自由蒸汽引入推顶器的热和由利用废空气-蒸汽混合物余热的空气压缩机引入的热。

这样，对于引入的热，得到：

q_s=i″-i′,J/kg

Q_s=m_s(i″-i′),J/s

式中i″是干燥的饱和蒸汽的热函

i′是注入蒸汽发生器中的水的热函

对于返回发动机的热，得到：

q_a=c^a _p(T₆-T_atm),J/kg

Qa=m_ac^a _p(T₆-T_atm),J/s

热效率(ηt)用于评估热循环

ηt=(Q-Q。)/Q

式中Q是引入的热，等于Qs，即用蒸汽从蒸汽发生器引入的热

Q。是从发动机发出的热，等于Qs-(L_e+L_k)，即等于引入的热与推顶器加上压缩机做功之间的差。

代入热效率公式后得出：

ηt=Qs-{Qs-(L_e+L_k)}/Qs=L_e+L_k/Qs=L_pe/Qs

=m_sc_p ^s(T₁-T₂)+m_ac_p ^a(T₂-T_atm)/m_s(i″-i′)

分析具有压缩和推顶的活塞式发动机的热效率公式，可以看到增加涡轮机驱动的压缩机的热效率和减少蒸发热r=i″-i′会增加所述效率，另一方面，蒸发热r=i″-i′取决于工作流体(水、乙醇、氨、氟里昂等)的性质以及要注入蒸汽发生器中的工作流体的加热程度，

在本例中，可以引入一个新的循环可逆性因数，即，从压缩机和冷凝器返回发动机的热与蒸汽引入的热之比：

η_rev=Ia/Qs=I_k+I_c/I_s

=m_ac_p ^a{(T₆-T₅)+(T₅-T_atm)}/m_s(i″-i′)

=m_ac_p ^a(T₆-T_atm)/m_s(i″-i′)

在具有压缩和推顶系统的发动机与汽油及柴油发动机之间比较效率和热力学参数，可以发现ηt至少大于内燃机的两倍，最高压力小5至10倍，最高温度也小10-15倍，而且旋转速度也低于汽油和柴油发动机的4-16倍。

工业可行性

压缩和推顶系统工作如下：

经过由活塞式发动机24的加速器踏板投入运动的传动机构33的介导，具有右手螺扣的螺丝开始转动，并且借助于离合器套筒和具有左手螺扣的螺丝，通过转动螺母39和42使固定着活塞式凝结泵32的支架靠近，并且借助于凸轮盘35从凝结水储器25吸吮凝结水，并且在压力下把凝结水经过热交换器6的热交换盘管23供应到蒸汽发生器14中。在蒸汽发生器中得到的蒸汽流入推顶器12的高压区，在该区运转推压销杆15并且在压力的作用下把它们推向低压扩张器10而产生一个间隙δ(见(B-B)，低压空气从空气压缩机4经此间隙通过。推压销杆15的运动严格地由精密弹簧8确定。当推压销杆运动时，高压型辊16开始经坚固部分的介导开始转动，并且，由于在其转动时形成的开口截面的变化，这些辊确保一个高速的蒸汽流从扩张器11流入扩张器10。在扩张器10运动时，撑靠在推顶器12壁上的坚固销杆18以同样的方式运转，它们转动着低压型辊17，通过型辊17在每一动则按照发动机的负荷自动地确保推顶器的理想工作参数。空气-蒸汽混合器因而得到精确确定的压力、温度和容积参数而在整个做功循环中流入发动机并且提供恰好与外部阻力相应的动力。

在活塞的吸入冲程中，排气口开放，这个口以一个管子联接到空气蒸汽涡轮机5，此涡轮机驱动压缩机4。废空气-蒸汽经过冷凝器22，在冷凝器22收集凝结液到凝结液储器25中，在此储器中借助于浮子26和针式浮子27保持一个恒定的液面。潮湿的空气从冷凝器经过冷凝盘管2进入凝结液储器3，在此进一步凝结空气中的湿气。如此干燥了的空气离开系统或者经控制阀门7进入蒸汽发生器14用于燃烧。

压缩和推顶的系统中的空气经过通气罩31吸入空气压缩机4，后者由一个扁线式双金属弹簧29、一个杠杆30和一个弹簧28驱动，双金属弹簧由冷凝器22中的空气蒸汽混合物加热。在运转开始时，可动的通风罩31在较低的位置(见示C)。在此情况下，冷却空气经一个唯一的冷却区段进入冷凝器22。受加热时，扁线式双金属弹簧弯曲并且向上推移杠杆30和把所述罩紧固地固定在冷凝器壁上的弹簧28。在此情况下冷却空气经三个冷却区段进入冷凝器22。并且，最后的位置是当第二双金属弹簧29也加热到相应的温度从而第二通风罩31向上推移时。然后冷却空气经过冷凝器22的所有五个冷却区段(见截面A-A)。阀门1起在确定的发动机工作模式下把压缩机4切换到不仅吸取大气的空气而且吸取冷凝器的空气-蒸汽混合物的作用，如在真空装置中使用的完全封闭的压缩和推顶的系统的情况一样。

四杆机构19和压力调节器34起限制发动机转速和压力的作用。它们既独立地工作也联合地工作，这取决于发动机的运转模式。例如，在低转速高负荷时仅压力调节器工作，在高转速高负荷时它们两者一起工作。两者都与三角形板45联接，三角形板45在螺母39和42的引导进入处有两个倾斜的切口。当进入蒸汽发生器14的超过特定值时，它经一个压力调节器34的管子起作用向上推动板45，从而拉开移动进调节器43的体部的切口中的螺母39和42，这些螺母各自地推动固定在支架21上的螺丝40和44。这样，活塞式凝结泵32的冲程以及注入到蒸汽发生器14中的水量都减少了。当转速超过允许值时，配重37产生的离心力作用在V形支脚38上，并且分别地推移四杆机构36的推杆，从而通过这样的动作使四杆机构19向上拉动三角形板45，如此拉开螺母39和42并且把活塞泵32从凸轮盘35拉开，这样减少注入的凝结液量。

Claims (4)

1．一种活塞发动机的压缩和推顶系统，包括：一个蒸汽发生器(14)、一个推顶器(12)、一个活塞式发动机(24)、一个空气-蒸汽涡轮机(5)、一个空气压缩机(4)、一个热交换器(6)、一个冷凝器(22)、一个活塞式凝液泵(32)、一个凝结液储器(3)和控制阀门(1)和(7)，其特征在于，蒸汽发生器(14)联接在推顶器(12)的高压部分，推顶器的出口联接到活塞发动机(24)的入口部分，活塞发动机(24)的排气口联接着空气-蒸汽涡轮机(5)，蒸汽涡轮机(5)安装在一个与压缩机(4)公共的轴上，并且这两者都置于冷凝器(22)上，涡轮机(5)的出口联接着冷凝器(22)的内部，压缩机(4)的入口联接到通风罩(31)并且通过阀门(1)联接着冷凝器(22)的内部，冷凝器(22)的下端经一个管子联接到其中安装有一个冷凝盘管(2)的凝液储器(3)，在盘管(2)的出口中安装有一个控制阀门(7)，压缩机(4)的出口与热交换器(6)和推顶器(12)的低压部分串连联接；活塞泵(32)的入口联接到凝结液储器(25)，而出口与热交换盘管(23)、热交换器(6)和蒸汽发生器(14)串连。

2．根据权利要求1的活塞式发动机压缩和推顶系统，其特征在于，推顶器(12)含有：一个低压扩张器(10)，其中安装与坚固销杆(18)相联接的低压型辊(17)，它由一个精确的弹簧(8)压迫并由一个套环(9)封闭；和一个高压扩张器(11)，其中安装与推压销杆(15)相联接的高压型辊(16)，受一个弹簧(13)的压迫。

3．根据权利要求1的活塞式发动机压缩和推顶系统，其特征在于，通风罩(31)安装在冷凝器(22)上，其后面的通风罩牢固地固定而前面的通过扁线双金属弹簧(29)、杠杆(30)和弹簧(28)联接，在其上部制造一个热交换盘管(23)，在其下部做成一个凝结液储器(25)的形状，在凝结液储器(25)安装一个浮子(26)和一个针式浮子(27)。

4．根据权利要求1的活塞式发动机压缩和推顶系统，其特征在于，在活塞式发动机(24)的轴上安装一个凸轮盘(35)，一个活塞式凝结液泵(32)靠在凸轮盘(35)上，它固定在安装在轴(20)上的支架(21)上，轴(20)与一个通过一个具有右手螺扣(40)的螺丝固定的传动机构(33)联接，所述螺丝装配进一个具有右手螺扣(39)的螺母中并且借助于一个离合器套筒与一个具有左手螺扣(44)的螺丝联接，这个螺丝装置进一个具有左手螺扣(42)的螺母中；螺母(39)和(42)置于调节器(43)体部的一个切口中，并且进入三角形板(45)的两个倾斜切口中，三角形板(45)联接压力调节器(34)，而压力调节器(34)借助于一个管子联接着蒸汽发生器(14)，并且借助于三角形板(45)联接四杆机构(19)，四杆机构(19)和四杆机构(36)、配重(37)和V形支脚(38)安装在一起。

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