CN1563693A - 一种外燃机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外燃机，它包括内具活塞且充有一定质量气体工质的气缸、与气缸活塞连杆相连的、加热器、冷却器和充于气缸、加热器和冷却器内的气体工质和功率传递机构，其特征是，所述的气缸至少有两个，其中一个气缸为压缩气缸，另一个气缸为膨胀气缸，每个气缸上均具有进气阀门和排气阀门；所述的加热器及充于其内的气体工质构成高温热交换源，高温热交换源通过导管和压缩气缸的排气阀及膨胀气缸的进气阀相连接，所述的冷却器中具有可使气体降温的环境，所述的冷却器及于其内的气体工质构成低温热交换源，低温热交换源通过导管和压缩气缸的进气阀及膨胀气缸的排气阀相连接，所述的功率传递机构包括动力输入机构和动力输出机构，动力输入机构通过连杆与压缩气缸的活塞连接，动力输出机构通过连杆与膨胀气缸的活塞相连。

Description

一种外燃机

技术领域

本发明涉及一种热机，特别是涉及一种外燃机。

背景技术

外燃机是一种闭式循环往复活塞式热力发动机，可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。它通常包括封闭的气缸、位于气缸内的活塞、与气缸活塞连杆相接的功率传递机构、加热器、冷却器和回热器等构成，在封闭的气缸内充有一定质量的工质。气缸的一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内边疆燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。所述的功率传递机构是曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘传动、摆盘传动、液压传动或自由活塞传动。

按气缸内循环的组成形式分，外燃机主要有配气活塞式和双作用式两类。其中配气活塞式外燃机是在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。其热力循环可以分为以下4个过程：①定温压缩过程：配气活塞停留在上止点附近，动力活塞从它的下止点向上压缩工质，工质流经冷却器时将压缩产生的热量散掉，当动力活塞到达它的上止点时压缩过程结束。②定容回热过程：动力活塞仍停留在它的上止点附近，配气活塞下行，迫使冷腔内的工质经回热器流入配气活塞上方的热腔，低温工质流经回热器时吸收热量，使温度升高。③定温膨胀过程：配气活塞继续下行，工质经加热器加热，在热腔中膨胀，推动动力活塞向下并对外做功。④定容储热过程：动力活塞保持在下止点附近，配气活塞上行，工质从热腔经回热器返回冷腔，回热器吸收工质的热量，工质温度下降至冷腔温度。在理论上，定容储热量等于回热量，其循环效率等于卡诺循环效率。两个活塞的运动规律是由菱形传动机构来保证的。

双作用式外燃机的每个气缸内只有一个活塞，兼起配气活塞和动力活塞的作用。各缸的上部为热腔，下部为冷腔。各热腔经加热器、回热器和冷却器与邻缸的下部冷腔连接，组成一个动力单元。双作用式外燃机能保证良好的热力性能，并且其结构更为紧凑和轻巧。

上述两种外燃机的结构相对复杂，需要回热器来储能，气体媒介还必需在闭式条件下工作，而且对在不同情况下所需的功率也难以控制、调节，使外燃机在实际使用中显得不够灵活，适应性不够强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构相对简单，适合于开式及闭式条件下循环工作，并且能灵活调节所需功率及能量利用效率的外燃机。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明的一种外燃机，它包括内具活塞且充有一定质量气体工质的气缸、与气缸活塞连杆相连的、加热器、冷却器和充于气缸、加热器和冷却器内的气体工质和功率传递机构，其特征是，所述的气缸至少有两个，其中一个气缸为压缩气缸，另一个气缸为膨胀气缸，每个气缸上均具有进气阀门和排气阀门；所述的加热器及充于其内的气体工质构成高温热交换源，高温热交换源通过导管和压缩气缸的排气阀及膨胀气缸的进气阀相连接，所述的冷却器中具有可使气体降温的环境，所述的冷却器及于其内的气体工质构成低温热交换源，低温热交换源通过导管和压缩气缸的进气阀及膨胀气缸的排气阀相连接，所述的功率传递机构包括动力输入机构和动力输出机构，动力输入机构通过连杆与压缩气缸的活塞连接，动力输出机构通过连杆与膨胀气缸的活塞相连。

当本外燃机工作时，动力输入机构通过连杆对压缩气缸中的活塞做功，使活塞由上止点向气缸底部运动，此时压缩气缸进气阀门打开，排气阀门关闭，气体由气缸进入到低温热交换源。当活塞向底部运动到一定位置时，关闭该气缸上的进气阀门，气体在气缸中进行绝热压缩，当活塞向气缸底部运动使气体绝热压缩至一定压力时，压缩气缸排气阀门打开，此时压缩气体从压缩气缸内进入高温热交换源，压缩气体进入等压排气阶段。压缩气体在高温热交换源中进行热交换，并且被压缩气体的温度升高。当压缩气缸活塞运动到压缩气缸的底部时，其排气阀门关闭，同时开启压缩气缸的进气阀，活塞向气缸上止点运动。

被压缩进入高温热交换源的气体经加热后温度升高，在膨胀气缸的进气阀门开启时进入膨胀气缸进行等压进气，此时膨胀气缸的排气阀门由开启状态转为关闭状态，膨胀气缸活塞由底部向上止点运动。当气体在气缸中膨胀到一定体积时膨胀气缸进气阀门关闭，气体在气缸中进行绝热膨胀。当气体绝热膨胀到一定压力时气体的排气阀门打开，此时活塞继续向气缸上止点运动，气体由低温热交换源进入气缸。当活塞达到上止点后，活塞由气缸上止点向底部运动，气体从膨胀气缸进入低温热交换源进行热交换降低气体温度。

气体在低温热交换源中进行热交换后，温度降低并在压缩气缸进气阀门打开时进入压缩气缸，当压缩气缸进气阀门关闭时，动力输入机构通过连杆向压缩气缸做功并推动气缸活塞向底部运动，这时气体又重新开始进行绝热压缩。开始另一次气体压缩过程，如此循环往复，可以实现气体在压缩气缸和膨胀气缸中进行进气——绝热压缩——等压排气——等压进气——绝热膨胀——排气——并不断向外界做功的目的。

当本发明的气体工质经压缩后进入热交换源对环境加热并使该气体工质降温；气体工质经膨胀后进入热交换源对环境冷却并使该气体工质温度升高时，就可使本发明应用于制冷系统中。

本发明的外燃机中的高、低温热交换源可为封闭式结构，所述的位于热交换器内的气体工质与气缸内的气体工质是同一种具有高热导率的气体媒介，如：氢气、氮气、氦气或者它们的混合气体。

所述的低温热交换源也可以为开放式结构，其中的冷却器即是大气环境，加热器由燃烧室构成，所述的位于高、低温热交换源和气缸内的气体工质为空气。

所述的气缸各个阀门及高、低温热交换源上或气缸内分别设有传感器，这些传感器是温度传感器、压力传感器，位移传感器位于功率传递机构上和气缸活塞运动关联。

所述的进气阀门和排气阀门位于所述气缸底部的下止点位置上。

为了实现对外燃机功率的控制和调节，本发明还包括控制气缸各阀门启、闭的感应控制装置，该感应控制装置与上述各传感器和气缸阀门分别连接。使用时，需要在感应控制装置中设定各种控制参数，以实现其对各气缸阀门启、闭的控制。

所述的感应控制装置可以是活塞行程感应控制装置、气缸压力感应控制装置，也可以是气缸中气体温度感应控制装置。上述感应控制装置可收集外燃机内各装置的运动状态、气体温度、气体压力信息，并可通过气缸活塞运动位置确定关闭或开启气缸的进气或排气阀门，也可通过高、低温热交换源及气缸中压缩气体、膨胀气体之间的温度或压力关系确定关闭或开启气缸的进气或排气阀门。

所述的气缸为绝热气缸。

所述的加热器可以利用太阳能进行加热，也可利用燃烧燃料的燃烧室进行加热，同时还可利用环境温度进行加热。

所述的外燃机的气体循环过程包括：绝热压缩→等压排气→高温热源热交换→等压进气→绝热膨胀→排气→低温热源热交换→进气→依次重复上述过程。

本发明的优点是：由于不需用回热器来储能，使本发明的结构简单；由于适合于开式及闭式条件下循环工作，使本发明能够适应多种情况工作；由于具有感应控制装置和阀门结构及膨胀气缸和压缩气缸活塞可同步及异步运动，使本发明能实现对在不同情况下所需的功率及能量利用效率进行灵活控制和调节。

附图说明

图1是本发明实施例之一的结构简图；

图2是图1的局部a-a向局部放大图；

图3是图1的外燃机对外做功的工作流程图；

图4是本发明实施例之二的结构简图。

具体实施方式

实施例一

如图1～3所示结构和工作流程是本发明的外燃机的实施例之一，它包括内具活塞13、23且充有一定质量气体工质的绝热气缸、分别安装有温度传感器53、63的加热器50和冷却器60、充于气缸、加热器50和冷却器60内的气体工质、功率传递机构30和感应控制装置40，所述的气缸为两个，其中一个气缸为压缩气缸20，另一个气缸为膨胀气缸10，每个气缸的上止点上均具安装有压力传感器24、14的进气阀门22、12和排气阀门21、11；所述的加热器50及充于其内的气体工质构成高温热交换源，高温热交换源通过导管52、51和压缩气缸20的排气阀门21及膨胀气缸10的进气阀门12相连接，所述的冷却器60及充于其内的气体工质构成低温热交换源，低温热交换源通过导管62、61和压缩气缸20的进气阀门22及膨胀气缸10的排气阀11相连接，所述的功率传递机构30包括动力输入机构31和动力输出机构32，动力输入机构31通过连杆25与压缩气缸20的活塞23连接，动力输出机构32通过连杆15与膨胀气缸10的活塞13相连。所述感应控制装置40与上述各传感器14、24、53、54和各气缸阀门11、12、21、22分别连接，它可收集外燃机内各装置的运动状态、气体温度、气体压力信息，并可通过气缸活塞运动位置而确定关闭或开启气缸的进气或排气阀门(当然也可通过高低温热交换源及气缸中压缩气体、膨胀气体之间的温差或压差关系确定关闭或开启气缸的进气或排气阀门)。所述的高、低温热交换源为封闭式结构，所述的位于高、低温热交换器50、60内的气体工质与压缩、膨胀气缸20、10内的气体工质是同一种具有高热导率的气体媒介——氦气(当然也可以是氢气、氮气、氦气或者它们的混合气体)。

当压缩气缸活塞23和膨胀气缸活塞13为同步运动时，压缩气缸20和膨胀气缸10同时开始工作，同时结束工作，此时动力输入输出机构可为一功率传递机构如曲柄连杆。

上述同步工作的过程为：动力输入机构31通过连杆25对压缩气缸20中的活塞23做功，使活塞23由上止点向压缩气缸20底部运动，此时压缩气缸进气阀门22打开，排气阀门21关闭，气体由压缩气缸20进入到低温热交换源。当活塞23向压缩气缸20底部运动到一定位置时，关闭该气缸上的进气阀门22，气体在压缩气缸20中进行绝热压缩，当活塞23向气缸20底部运动使气体绝热压缩至一定压力时，压缩气缸排气阀门21打开，此时压缩气体从压缩气缸20内进入高温热交换源，压缩气体进入等压排气阶段。压缩气体在高温热交换源中进行热交换，并且被压缩气体的温度升高。当压缩气缸活塞23运动到压缩气缸20的底部时，其排气阀门21关闭，同时开启压缩气缸20的进气阀22，活塞23向气缸20上止点运动，气体由低温热交换源进入压缩气缸20。当压缩气缸活塞23运行到气缸20上止点位置时，活塞23向气缸20底部运动，气体由气缸20进入到低温热交换源。当活塞23向底部运动到一定位置时，关闭该气缸20上的进气阀门22，压缩气缸20又重新开始气体绝热压缩过程。在压缩气缸活塞23到达气缸20上止点是时，膨胀气缸10的进气阀门12开启，排气阀门11关闭，气体从高温热交换源进入膨胀气缸10内，并在膨胀气缸10中进行等压进气，此时膨胀气缸10中的活塞13向气缸10上止点运动，当气体膨胀至一定体积时，膨胀气缸10的进气阀门12关闭，气体在膨胀气缸10内进行绝热膨胀，当气体在气缸10中进行绝热膨胀达到一定压力时，膨胀气缸10的排气阀门11打开，此时活塞13继续向气缸10上止点运动，气体由低温热交换源进入气缸10。当活塞13达到上止点后，活塞13由气缸10上止点向底部运动，同时膨胀气缸10中的气体进入低温热交换源进行热交换降低气体温度。此时压缩气缸活塞23运动到气缸20底部同时关闭压缩气缸20的排气阀门21，并打开压缩气缸进气阀门22，压缩气缸活塞23由底部向气缸20上止点运动。当膨胀气缸活塞13运行到气缸10底部时，膨胀气缸排气阀门11关闭，同时开启膨胀气缸10的进气阀门12，膨胀气缸10又重新开始等压气体膨胀过程，此时压缩气缸20则完成进气过程，活塞23由上止点向压缩气缸20底部运动，气体进入绝热压缩阶段。如此往复循环地完成气体在压缩气缸20和膨胀气缸10的循环过程，可以实现气体在压缩气缸20和膨胀气缸10中进行：进气——绝热压缩——等压排气——等压进气——绝热膨胀——排气——不断向外界做功。

当压缩气缸活塞23和膨胀气缸活塞13为异步运动时，压缩气缸20和膨胀气缸10可在不同时间开始及结束工作，此时动力输入机构31可为电动机，动力输出机构32可为发动机。

上述异步工作的过程为：动力输入机构31通过连杆25对压缩气缸20中的活塞23做功，使活塞23由上止点向气缸20底部运动，此时压缩气缸20的进气阀门22打开，排气阀门21关闭，气体由气缸20进入到低温热交换源。当活塞23向底部运动到一定位置时，关闭该气缸20上的进气阀门22，气体在压缩气缸20中进行绝热压缩，当活塞23向压缩气缸20底部运动使气体绝热压缩至一定压力时，压缩气缸排气阀门21打开，此时压缩气体从压缩气缸20内进入高温热交换源，压缩气体进入等压排气阶段。压缩气体在高温热交换源中进行热交换，并且被压缩气体的温度升高。当压缩气缸活塞23运动到压缩气缸20的底部时，其排气阀门21关闭，同时开启压缩气缸20的进气阀门22，活塞23向压缩气缸20上止点运动，气体由低温热交换源进入压缩气缸20。当压缩气缸活塞23运行到气缸20上止点位置时，活塞23向气缸20底部运动，气体由气缸20进入到低温热交换源。当活塞23向底部运动到一定位置时，关闭该气缸20上的进气阀门22，气体又重新进入绝热压缩阶段，如此通过动力输入机构31对压缩气缸活塞23做功并实现气体在压缩气缸20中进行：绝热压缩-等压排气-进气-循环过程。

膨胀气缸10的工作过程为：膨胀气缸10的进气阀门12开启同时排气阀门11由开启状态转为关闭，气体从高温热交换源进入膨胀气缸10内，并在膨胀气缸10中进行等压进气，此时膨胀气缸10中的活塞13向气缸10上止点运动，当气体膨胀至一定体积时，膨胀气缸10的进气阀门12关闭，气体在膨胀气缸10内进行绝热膨胀，当气体在气缸10中绝热膨胀达到一定压力时，膨胀气缸10的排气阀门11打开，此时活塞13继续向气缸10上止点运动，气体由低温热交换源进入膨胀气缸10。当活塞13达到上止点后，活塞13由膨胀气缸10上止点向底部运动，同时膨胀气缸10中的气体进入低温热交换源进行热交换降低气体温度。当膨胀气缸活塞13运行到气缸10底部时，膨胀气缸10的排气阀门11关闭，同时开启膨胀气缸10的进气阀门12，气缸活塞13由底部向上止点运动，气体进入膨胀气缸10又重新开始等压进气，如此实现气体在膨胀气缸10中进行：等压进气-绝热膨胀-排气-循环过程并对外界做功。

本发明的外燃机往复地完成气体在压缩气缸20和膨胀气缸10循环过程，可以实现气体在压缩气缸20和膨胀气缸10中进行：进气——绝热压缩——等压排气——等压进气——绝热膨胀——排气——并不断向外界做功的目的。

当本发明的气体工质经压缩后进入热交换源对环境加热并使该气体工质降温；气体工质经膨胀后进入热交换源对环境冷却并使该气体工质温度升高时，就可使本发明应用于制冷系统中。

实施例二

如图4所示结构是本发明的实施例之二，它与上述实施例的不同之处是：它不需要使用感应控制装置，所述的低温热交换源为开放式结构为大气，所述的高温热交换源为封闭式结构，它由燃烧室构成的加热器50及充于其内的气体工质组成成，所述的气体工质为空气。

本外燃机的工作过程为：动力输入机构31通过连杆25对压缩气缸20中的活塞23做功，使活塞23由上止点向气缸20底部运动，此时压缩气缸20进气阀门22打开，排气阀门21关闭，空气由压缩气缸20排入到大气中。当活塞23向底部运动到一定位置时，关闭该气缸20上的进气阀门22，空气在压缩气缸20中进行绝热压缩，当活塞23向气缸20底部运动使空气绝热压缩至一定压力时，压缩气缸排气阀门21打开，此时压缩空气从压缩气缸20进入高温热交换源，压缩空气进入等压排气阶段。压缩空气在燃烧室构成的加热器50和燃料进行燃烧并加热，被压缩空气的温度升高。当压缩气缸活塞23运动到压缩气缸20的底部时，其排气阀门21关闭，同时开启压缩气缸20的进气阀门22。活塞23由压缩气缸20底部向上止点运动，空气由大气进入压缩气缸20。当压缩气缸活塞23运行到气缸20上止点时，活塞23向气缸20底部运动，气体由气缸20进入到低温热交换源。当活塞23向底部运动到一定位置时，关闭该气缸20上的进气阀门22，空气又重新进入绝热压缩阶段，如此通过动力输入机构31对压缩气缸活塞23做功，实现了气体在压缩气缸中进行：绝热压缩-等压排气-进气循环过程。

膨胀气缸10的工作过程为：膨胀气缸进气阀门12开启同时排气阀门11由开启状态转为关闭，气体从燃烧室构成的加热器50进入膨胀气缸10内，并在膨胀气缸10中进行等压进气，此时膨胀气缸10中的活塞13向气缸10上止点运动，当气体膨胀至一定体积时，膨胀气缸10的进气阀门12关闭，气体在膨胀气缸10内进行绝热膨胀，当气体在气缸10中绝热膨胀达到一定压力时，膨胀气缸10的排气阀门11打开，此时活塞13继续向气缸10上止点运动，气体由低温热交换源进入气缸10。当活塞13达到上止点后，活塞13由气缸10上止点向底部运动，同时膨胀气缸10中的空气排入大气。当膨胀气缸活塞13运行到气缸10底部时，膨胀气缸排气阀门11关闭，同时开启膨胀气缸10的进气阀门12，空气由高温热交换源进入膨胀气缸10又重新开始等压进气阶段，如此气体在膨胀气缸中进行：等压进气-绝热膨胀-排气-循环过程并不断对外界做功。本发明的外燃机往复地完成气体在压缩气缸20和膨胀气缸10循环过程，可以实现空气在压缩气缸20和膨胀气缸10中进行：进气——绝热压缩——等压排气——等压进气——绝热膨胀——排气——并不断向外界做功的目的。

当空气经压缩后进入热交换源(或大气)对环境加热并使该空气降温；空气经膨胀后排入大气(或热交换源)对环境冷却并使该空气温度升高时，就可使本发明应用于制冷系统中。

Claims (10)

1.一种外燃机，它包括内具活塞且充有一定质量气体工质的气缸、与气缸活塞连杆相连的、加热器、冷却器和充于气缸、加热器和冷却器内的气体工质和功率传递机构，其特征是，所述的气缸至少有两个，其中一个气缸为压缩气缸，另一个气缸为膨胀气缸，每个气缸上均具有进气阀门和排气阀门；所述的加热器及充于其内的气体工质构成高温热交换源，高温热交换源通过导管和压缩气缸的排气阀及膨胀气缸的进气阀相连接，所述的冷却器中具有可使气体降温的环境，所述的冷却器及于其内的气体工质构成低温热交换源，低温热交换源通过导管和压缩气缸的进气阀及膨胀气缸的排气阀相连接，所述的功率传递机构包括动力输入机构和动力输出机构，动力输入机构通过连杆与压缩气缸的活塞连接，动力输出机构通过连杆与膨胀气缸的活塞相连。

2.根据权利要求1所述的外燃机，其特征是，所述的高、低温热交换源为封闭式结构，所述的位于热交换器内的气体工质与气缸内的气体工质是同一种具有高热导率的气体媒介，即：氢气、氮气、氦气或它们的混合气体。

3.根据权利要求1所述的外燃机，其特征是，所述的低温热交换源为开放式结构，其中的冷却器即是大气环境，加热器由燃烧室构成，所述的位于高、低温热交换源和气缸内的气体工质为空气。

4.根据权利要求1所述的外燃机，其特征是，所述的进气阀门和排气阀门位于所述气缸底部的下止点位置上。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的外燃机，其特征是，所述的气缸各个阀门及高、低温热交换源上或气缸内分别设有传感器，这些传感器是温度传感器、压力传感器或位移传感器。

6.根据权利要求5所述的外燃机，其特征是，它还包括控制气缸各阀门启、闭的感应控制装置，该感应控制装置与上述各传感器和气缸阀门分别连接。

7.根据权利要求6所述的外燃机，其特征是，所述的感应控制装置可以是活塞行程感应控制装置、气缸压力感应控制装置，也可以是气缸中气体温度感应控制装置。上述感应控制装置可收集外燃机内各装置的运动状态、气体温度、气体压力信息，并可通过气缸活塞运动位置确定关闭或开启气缸的进气或排气阀门，也可通过高、低温热交换源及气缸中压缩气体、膨胀气体之间的温度或压力关系确定关闭或开启气缸的进气或排气阀门。

8.根据权利要求1所述的外燃机，其特征是，所述的气缸为绝热气缸。

9.根据权利要求1所述的外燃机，其特征是，所述的加热器是利用太阳能进行加热，或利用燃烧燃料的燃烧室进行加热，或利用环境温度进行加热。

10.根据权利要求1所述的外燃机，其特征在于：所述的外燃机的气体循环过程包括：绝热压缩→等压排气→高温热源热交换→等压进气→绝热膨胀→排气→低温热源热交换→进气→依次重复上述过程并不断向外界做功。

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