CN1584305A - 联合循环内燃机组 - Google Patents

Abstract

一种联合循环内燃机组包括采用简便、可靠调节范围大(4∶1－18∶1)的可调压缩比值高增压二冲程对置活塞往复式发动机和燃气涡轮发动机通过齿轮在负载工况下自动完成无级变速的特殊差动装置，使两种不同性质的内燃机实现联合循环，热效率大大高于传统技术。联合循环内燃机可使用多种燃料，包括人工合成燃料，机组采用机内净化技术使排放达到欧洲3号甚至4号标准。联合循环内燃机组适用于30马力－50000马力之间自由选择，小至摩托艇家用骄车及发电机组，内燃机车、工程机械大至万吨巨轮等发动机均可使用。具有极高的经济效益，社会效益和环保效益。

Description

联合循环内燃机组

本发明涉及内燃动力装置。

本发明联合循环内燃机组提供一种由两种性质完全不同的内燃机共同实现联合循环的完整的内燃动力发动机，其加工、安装、操纵简便，全电脑控制，热效率高，有实用价值，使用范围广，功率从30马力-50000马力之间自由选择，小至摩托艇、家用骄车及发电机组，内燃机车、工程机械大至万吨巨轮等发动机均可使用。

传统的内燃机具有体积小，功率大，使用携带方便，技术成熟和工作可靠等优点，但仍是一种高能耗，大污染的机器。特别是热效率低，因为除少量摩擦损失和附机损失外剩下的极大多数燃料热能只有约1/3左右能量转化为有用功，另30％左右能量被冷却液带走，剩下1/3以上能量则由废气白白从地排气管中释放掉。此外对燃料技术要求高，过度依赖油气资源，废气对环境的污染是长期无法解决的世界难题。

本发明联合循环内燃机组是由一种可调压缩比值，对置活塞布置，二冲程高增压往复式发动机与二级轴流式燃气涡轮发动机共同实现联合循环。

由于利用了占发动机总能量1/3以上损失的废气能量，设计了齿轮在负载工况下自动完成无级变速的特殊差动装置使对置活塞及燃气涡轮两种性质完全不同的内燃机实现联合循环共同作功传递给曲轴，故发动机的热效率大大高于传统技术。

在对置活塞发动机中采用了既简便可靠又调节范围大(4∶1-18∶1)的可调压缩比机构，使发动机在任何工况下都能获得最佳动性能，最佳燃烧效果，最高热转换效率，最好的排放效果。

本发明可采用自然散热加机内气冷技术大大减少传统发动机被冷却液带走的能量，即使带走部分能量也能继续在燃气涡轮中作功。

本发明机组可使用多种燃料包括人工合成燃料，既降低了成本，又推迟了能源危机到来，由于本机组可达到机内净化，排污大大减少，可使排放达到欧洲3号甚至4号标准。

本发明在对置活塞发动机结构上无气缸盖，气门及其他配气机构等复杂元件，可适用陶瓷材料制作，对置活塞发动机只使用一根曲轴，简化了机构，又便于操作控制。与传统相同功率发动机相比重量和体积减少30％左右，造价降低10％左右，工作可靠，使用寿命延长50％以上。

联合循环内燃机组第一段高温高压热转换过程在可调压缩比值高增压二冲程对置活塞往复式发动机内完成其工作原理可简述为：

当发动机启动时由飞轮21从起动电机20获取能量开始旋转，通过曲轴6，进气连杆29I，排气连杆29II，进气连杆摇臂5I，排气连杆摇臂5II，进气活塞杆22I、排气活塞杆22II将飞轮21I的旋转运动变为进气活塞23I和排气活塞23II的往复对置运动。

当进气活塞23I和排气活塞23II由下止点向上止点作第一冲程运动时新鲜空气由空气滤清器7经过进气管8进入压气机再经过储气筒(或中冷器)(图中未画出)从扫气口34进入气缸，废气从排气口35溢出。由于排气活塞23II比进气活塞23I先行12-15度，因此先由排气活塞23II将排气口35关闭。此时扫气口34仍在继续充气；接着进气活塞23I将扫气口34关住。

当工作时进气活塞23I和排气活塞23II同时上行，压气正式开始。当排气活塞23II接近上止点时燃烧室喷油工作早已完成，由于本发明喷油提前角为120°-130°，故高速旋转的压缩气流与瞬间形成的雾状燃油已经成为混合气。此时排气活塞23II已越过上止点，开始向下运行，第一冲程结束，第二冲程开始。(图2是第二冲程位置图)活塞越过上止点后，燃烧开始，起初较慢逐步变快。

当进气活塞23I下行5-10度，排气活塞23II下行18-23度，气缸套1内开始激剧燃烧，这种激剧燃烧可以持续20-30度，然后燃烧变得缓慢；当两个活塞下行40-50度时燃烧基本结束。由于排气活塞23II比进气活23I先行12-15度，所以当排气活塞23II先打开排气口35至12-15度时，进气活塞23I刚好到扫气口34位置。由于气缸套1内燃气对排气活塞23II做功后仍有较高的温度和压力，因此大量废气从排气口35高速溢出。当进气活塞23I和排气活塞23II继续下行，排气口35会开得更大，此时扫气口34也开始被打开，扫气口34被打开时，气缸套1内的燃气压力已低于进气增压压力，因此扫气工作正式开始进行，由于高速气流的惯性，不会发生扫气口34倒流现象。当排气活塞23II移止下止点而要开始上行，此时扫气口34，排气口35几乎全部开足，扫气工作进入峰值阶段，从扫气口34进入气缸套1内的高速旋转气流将废气强行从排气口35中急速赶出，此时排气口35开始变小，而扫气口34则仍在变大，第二冲程结束。

当排气活塞23II继续上行，先将排气口35关闭，此时进气活塞23I仍离关闭扫气口34有12-15度，故仍在继续充气。到进气活塞23I上行至扫气口34关闭时，压气工作又开始连续进行，由此循环往复完成两冲程发动机运行全过程。

由于一组在同一气缸内对置活塞采用呈小偏差非对称往复式运动，其获得的实际功率也不尽相同，其中排气活塞23II产生约57％功率，进气活塞23I产生约43％的功率。

下面结合附图详细描述本发明专利一实施例以便更清楚地了解本发明的目的特点和优点。

图1是本发明一实施例的正视结构示意图。

图2是本发明一实施例的左视图。

图3是本发明图1所示结构的俯视图。

为了方便和清楚说明起见，所有附图中相同的符号表示相同的部件和结构。此外，为了说明本发明的核心技术，对传统技术中的另部件视图中大部分不显示。

附图1、2、3共同给出了本发明一实施例，它是一台联合循环内燃机组的结构示意图。

参看图1、2、3与飞轮21相连的曲轴6上装有一组连杆即进气连杆29I和排气连杆29II，进气连杆摇臂5I与进气连杆29I相连；排气连杆摇臂5II与排气连杆29II相连。气缸套1内装有进气活塞23I和排气活塞23II，进气活塞23I通过进气活塞杆22I与进气连杆摇臂5I相连，排气活塞23II通过排气活塞杆22II与排气连杆摇臂5II相连。

结构与运行方式完全对称的一组两个偏心主轴4I与4II各与一组两个蜗轮30I和30II相连。蜗轮30I和30II与由可控电机24同步驱动的蜗杆31I和31II相啮合。气缸套1上还有扫气口34和排气口35。

本发明的可调压缩比值是通过可控电机24同步驱动蜗杆31和31II，并使蜗轮30I和30II转动，使偏心主轴4I和4II发生前后转向并改变进气连杆摇臂5I和排气连杆摇臂5II支点的位置，使进气活塞23I和排气活塞23II的行程也发生前后移动。由于进气活塞23I和排气活塞23II的位移不改变曲轴6和进气连杆29I和排气连杆29II尺寸，因此进气活塞23I和排气活塞23II的有效行程不变，改变的只是活塞23I和23II的起迄点；而活塞23I和23II停留在上止点位置高度发生变化就可改变燃烧室容积大小即可明显改变压缩比值，这种压缩比调节方式既灵敏又可靠，调节范围能满足全部工况要求。

下止点的位置变化可改变扫气口34的截面积和开启角度，在改变压缩比值的同时达到理想地改变扫气口34的高度和角度，使两冲程发动机的换气过程远远超过四冲程发动机的换气过程，克服传统两冲程发动机换气质量差，换气能量损失大的巨大缺陷，使发动机在任何工况区域燃烧始终处于最佳点。

本发明曲轴6的位置上稍微向内进行位移，连杆摇臂5I与5II也稍微向内弯曲，既保证了排气活塞23II先行12-15度的技术要求，也使连杆29I和29II在曲轴6上保持180°的传统角度，避免了加工不对称曲轴的困难，更为重要的是使动平衡获得最好效果，既简单又可靠。

联合循环内燃机组第二段低热、低压热转换过程是在燃气涡轮机内完成。共工作原理可简述如下。

传统的内燃机约有1/3以上的能量白白从排气管中释放掉，即使用自由废气涡轮增压技术来利用这部分能量，但在可变工况下难以实现与发动机理想匹配，即自动完成供气平衡和输出动力，在使用中还出现启动困难和怠速工况不佳，高效理想工作区域变窄等情况，而且废气的能量利用率只有30％左右，故自由废气涡轮增压机只能作为主机的附机协助使用。

本发明联合循环内燃机组与传统技术最大本质区别是利用占发动机总能量1/3以上损失的具高温和一定压力的内燃机废气排放的全部能量进行再次作功并且设计非常巧妙简单的自动完成无级变速机构使这部分能量传递给曲轴，故本发明机组的热效率大大高于传统内燃机。

为了连结和组合这两种性能完全不同的内燃机组，尤其是在变工况下始终获得良好匹配，共同完成动力输出工作，最后终于找到配有五个工作元件，四个连接构件、三个自由度，并在动液和行星齿轮相互协调配合下以三构件同时运作的特殊差动装置完成了齿轮也可在负载工况下自动完成无级变速的世界难题。

本发明的目的利用五个工作元件：增压泵轮、燃气涡轮、液力偶合涡轮、液力偶合器泵轮、第二降速小齿轮；四个联接构件：增压泵主轴，燃气涡轮主轴、内齿轮主轴，第一段降速轴组成带有动液传动与行星齿轮传动融为一体的特殊差动装置。

联接构件一，增压泵主轴的一端与工作元件增压泵轮固定连接，另一端与行星架固定连接，中间穿过与液力偶合器泵轮相连的一组齿轮中的第一级降速小齿轮。

联接构件二，燃气涡轮主轴的一端与工作元件燃气涡轮作固定连接，另一端与太阳轮相连。

联接构件三内齿轮一端与液力偶合器涡轮相连的一组齿轮中的第一级主降速小齿轮，另一端与三个行星齿轮相啮合。

联接构件四  第一段降速轴一端与液力偶合器涡轮相连，另一端与工作元件第二段降速小齿轮相连，其中第一段主降速则由与内齿圈相连的小齿轮与液力偶合器涡轮相连的大齿轮完成。

参看图1、2、3对置活塞三缸发动机排气管3即涡轮发动机9的进气管，以连接两台发动机。涡轮发动机9有一个出气管12。对置活塞三缸发动机的动力由曲轴6传递到飞轮21，飞轮21通过离合器或齿轮箱(图中未画出)与负载相连。曲轴6的另一端装有皮带轮37以便带动内燃机其他附机，38是防振装置。

涡轮发动机9通过其主轴与太阳轮16相连，太阳轮16与行星齿轮15啮合，行星齿轮15与内齿圈14啮合，内齿圈14上固定小齿轮13，小齿轮13与大齿轮26啮合，大齿轮26与液力偶合器涡轮固定；行星架17上固定小齿轮18，小齿轮18与大齿轮28啮合，大齿轮28与液力偶合器泵轮固定。小齿轮18固定在增压泵主轴40的一端，增压泵主轴40的另一端与工作元件增压泵轮19固定连接。

第一段主降速轴41与液力偶合器27的涡轮固定，另一端与工作元件第二段降速小齿轮10固定，第二段降速小齿轮与第二段降速大齿轮11啮合，第二段降速大齿轮固定在曲轴6上以此与飞轮21实现动力汇流。

从安装在燃气涡轮主轴39上的燃气涡轮9开始一直到曲轴6的各个联接构件和工作元件组成了具备自动适应性的齿轮在负载工况下实现无级变速的特殊的差动装置。

下面对联合循环内燃机组在四种不同工况下的工作原理作简要说明：

1、起动状态：

由起动电机20驱动飞轮21，对置活塞发动机1开始工作，以发动机旋转驱动增压泵19完成进气增压工作的起动过程。

2、怠速状态：

对置活塞发动机1仅能维持自身稳定旋转，燃气涡轮发动机9虽已成为主动的工作元件，并带动太阳轮16、行星轮15、内齿圈14，行星架17通过小齿轮18带动大齿轮28，内齿圈14通过小齿轮13带动大齿轮26，大齿轮26与液力偶合器27的涡轮相连，大齿轮28与液力偶合器27的泵轮相连。但由于提供的动力很小，不能满足进气增压需要，必须通过第二级降速小齿轮10从飞轮21处获取对置活塞发动机1产生的功率进行动力回输。这时整个差动装置内无相对运动，以一刚体方式传递动力，这使发动机处于理想的怠速状态。

这里需指出的是，只要涡轮发动机9产生的能量小于压气机19所需的能量，并能从对置活塞发动机1获取能量进行补充，则整个差动的装置都将停止所有齿轮和动液的相对运动，以一刚体方式传递动力。

3、小负载状态：

这时对置活塞发动机1经第一次作功后产生的低压，低热燃气进入涡轮发动机9实现第二次热功转换。涡轮发动机9产生的功率只能满足进气增压需要。但无多余功率汇输给第一动力主机即对置活塞发动机1，因此整个差动装置仍然停止所有齿轮和动液的相对运动，以一刚体方式传递动力。

4、中、大、全负载状态：

这时对置活塞发动机1经第一次做功后排放的燃气进入涡轮发动机9进行第二次热功转换，涡轮发动机9产生的功率远远超过进气增压所需的功率，其剩余的大部分功率通过自动适应动力往复回输差动装置汇输给第一动力主机，从而使涡轮发动机9真正成为第二动力输出主机。联合循环内燃机组的工作使大部分废气能量得以充分利用的目标实现得以成为现实。

联合循环内燃机组其他部件均采用传统技术，并对技术参数进行全电脑控制在此不再详述。

Claims (3)

1、一种联合循环内燃机组其一包括可调压缩比高增压两冲程对置活塞布置的往复式发动机其特征在于：

A、在同一气缸内含有两个可往复运动的对置活塞。

B、含有一组两个活塞杆，一组两个连杆摇臂和一组安装在同一根曲轴上的两个连杆。

C、含有一根与两个对置活塞相连的曲轴，曲轴的一组连杆轴颈夹角呈小偏差非对称布置，其夹角在192-195度之间。

D、含有两组完全对称布置的偏心主轴。

E、含有两组与一个可控电机相连的同步且对称布置的蜗杆蜗轮。

2、一种联合循环内燃机组其二包括齿轮在负载工况下自动完成无级变速的特殊差动装置其特征包括五个工作元件：增压泵轮、燃气涡轮、液力涡轮、液力泵轮、第二降速小齿轮和四个联接构件：增压泵主轴、燃气涡轮主轴、内齿轮主轴、第一降速轴所组成其特征在于：

A、增压泵主轴一端与增压泵轮固定连接，另一端与行星架相连，中间安装第一级降速小齿轮，第一级降速小齿轮与第一级降速大齿轮啮合，第一级降速大齿轮与液力泵轮连接。

B、燃气涡轮主轴一端与工作元件燃气涡轮作固定连接，另一端与太阳轮连接。

C、内齿轮主轴一端安装内齿轮，内齿轮分别与多个行星齿轮啮合，多个行星齿轮与太阳轮啮合；另一端装第一级主降速小齿轮，第一级主降速小齿轮与第一级主降速大齿轮啮合，第一级主降速大齿轮与液力涡轮连接。

D、第一主降速轴一端装有第二级降速小齿轮，第二级降速小齿轮与装在飞轮上的第二级降速大齿轮啮合；另一端装有液力涡轮，中间固定第一级主降速大齿轮。

3、本发明提供的是一种先进理念和运作方法，是一项原始型创造发明并举例了一具体实施方案。根据运行方法可能有几十种实施方案，甚至更多，因此本发明要保护的是这种先进的工作方法。

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