CN201225173Y - 梯级能源发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种梯级能源发动机，包括内燃发动机、排气热交换器、外燃机和冷凝冷却器，在气缸套外围设有缸套工质承压通道，在气缸盖内设有缸盖工质承压通道，缸套工质承压通道的工质出口或经液相工质加压泵和缸盖工质承压通道的工质入口连通，缸盖工质承压通道的工质出口与排气热交换器的被加热工质入口连通，排气热交换器的被加热工质出口与所述外燃机的工质入口连通，外燃机的工质出口与冷凝冷却器的工质入口连通，冷凝冷却器的工质出口与缸套工质承压通道的工质入口连通或经冷凝液相工质加压泵连通，冷凝液相工质加压泵和液相加压泵可单独设置或同时设置。本实用新型能充分利用发动机气缸套周围的余热以及发动机排气中的余热。

Description

梯级能源发动机

技术领域

本实用新型涉及一种发动机。

背景技术

传统内燃发动机技术领域，内燃发动机的余热没有得到很好的利用，因而内燃发动机的热效率很难得到根本性提高。近年来，虽有大量利用内燃发动机余热的尝试，比如美国专利发布号为US 2003/0005696A1和英国专利发布号为GB1539166，但因内燃发动机的特殊性，这些尝试均存在设备繁多，效率低，难于实际应用的缺点。所以急需发明一种设备简单、能够高效利用内燃发动机余热产生动力的新的发动机技术。进而提高内燃发动机的效率减少燃料消耗，抑制全球变暖趋势。

发明内容

为从根本上解决传统发动机热效率低的技术问题，本实用新型提供了一种梯级能源发动机，包括内燃发动机、气缸套、气缸盖、排气热交换器、外燃机和冷凝冷却器，所述气缸套外围设有缸套工质承压通道，所述气缸盖内设有缸盖工质承压通道，所述缸套工质承压通道的工质出口和所述缸盖工质承压通道的工质入口连通或经液相工质增压泵连通，所述缸盖工质承压通道的工质出口与所述排气热交换器的被加热工质入口连通，所述排气热交换器的被加热工质出口与所述外燃机的工质入口连通，所述外燃机的工质出口与所述冷凝冷却器的工质入口连通，所述冷凝冷却器的工质出口与所述缸套工质承压通道的工质入口连通或经冷凝液相工质加压泵连通。所述冷凝液相工质加压泵和所述液相加压泵可单独设置或同时设置。在不设液相工质加压泵时所述外燃机工质入口处的工质压强、所述缸盖工质承压通道的工质压强和所述缸套工质承压通道的工质压强依次增大。在设置液相工质加压泵时所述缸盖工质承压通道的工质压强大于所述外燃机工质入口处的压强，而所述缸套工质承压通道的工质压强可小于所述缸盖工质承压通道的工质压强。

所述外燃机可设为汽轮机、涡轮机或蒸汽机式的动力源。

所述缸套工质承压通道和所述缸盖工质承压通道可单独或同时设为承压腔式。

所述缸套工质承压通道和所述缸盖工质承压通道可单独或同时设为复数个承压管式。

所述冷凝液相工质加压泵的工质出口与所述缸套工质承压通道在所述气缸套上端(靠近燃烧室)的工质入口连通，所述缸套工质承压通道在所述气缸套下端的工质出口(远离燃烧室)与所述缸盖工质承压通道的入口连通，所述缸盖工质承压通道的工质出口与所述排气热交换器的被加热工质入口连通。

所述缸套工质承压通道的工质出口经控制阀与所述缸盖工质承压通道的工质入口连通。

所述内燃发动机和系统的其它部位的外围可全部或部分增设保温层，以进一步提高发动机的热效率。

本实用新型结合内燃发动机的特点将燃烧室以外的热系统(即余热系统)按能源品位分为复数个梯级能源区。为了便于理解，现以三个梯级能源区为例进行说明。梯级能源区A是内燃发动机气缸套周围的区域(即所述缸套工质承压通道)，这个区域由于气缸套和活塞的高速相对运动，要求较高的散热降温条件，即工质的温度要相对低一些，因而，在本实用新型中将梯级能源区A作为工质的加热区，在此区内将工质加热升温；梯级能源区B是内燃发动机燃烧室上方气缸盖内的区域(即所述缸盖工质承压通道)，这个区域内除可耐高温的气门的运动及其与气门座的撞击外，没有其它高速相对运动，因此，散热降温条件可以相对差一些，即工质的温度可以高一些，因而，在本实用新型中将梯级能源区B作为工质的气化区，在此区内产生高温高压的气相工质；梯级能源区C是发动机排气道上热交换器(即所述排气热交换器)，这个区域没有运动部件，即不需要特别散热降温条件，也就是说工质的温度可以很高，故在本实用新型中将此区作为工质过热区，在此区内使工质过热，进一步提高工质的温度，进而提高工质循环做功的效率。

本实用新型中的工质可以是水或其它类型的工质，例如：氨、醇类、醚类、烷类、以及其它类型的工质，只要根据发动机的散热降温条件和系统的承压能力等进行选择即可。

通过本实用新型中的的三个梯级能源区A、B和C的工质通道，可直接或经控制阀门连通。通过选择不同工质在满足气缸套的散热降温条件下，依据工质的热力学性质(热容、气化热、蒸汽压温度曲线等)，可以将梯级能源区A和梯级能源区B部分或全部融合形成一个或多个新的梯级能源区。然而，梯级能源区C可部分不应全部与梯级能源区B融合，因为如果全部融合则将没有工质过热区，因而会降低气相工质的温度，从而降低工质循环做功效率。根据内燃发动机的类型、工作条件(即不同梯级能源区的温度及传热量)以及所用工质的性质，可以进行所有梯级能源区的热平衡计算或实验，根据计算或实验结果可以确定工质的流量以及不同梯级能源区的融合率。

本实用新型中，不同梯级能源区的工质温度可以相差很大，但在不设置所述液相工质加压泵时，所有梯级能源区的工质压强按工质流向的相反方向依次增加。如果所述缸套工质增压通道的承压能力较低，可通过设置所述液相加压泵，减少所述缸套承压工质内的工质压强。由于冷凝液相工质加压泵和液相工质加压泵的单独或同时设置，以及工质承压通道的设置，使得工质在高压下气化，因而消除了工质气化区和工质过热区之间设置气相工质泵的必要性，这样可以有效减少泵送气相工质所需的大量机械功，从而大大提高系统的效率。排气热交换器设为对流式，进而提高过热工质的温度及循环做功效率。

为确保靠近燃烧室的缸套的冷却强度，可使液相工质首先进入此处的缸套工质承压通道后，自上而下流动，最后由下端出口流向所述缸盖工质承压通道。

本实用新型中的外燃机可以是汽轮机、蒸汽机或涡轮机等，产生的动力可用作发电、增压等，也可与内燃发动机合成一个动力输出源。为减少热量损失可通过对内燃发动机的外部和系统其它部位增设保温层，进而提高余热回收率。

由于工质应处于密闭循环做功过程，所以通过每一个梯级能源区的工质质量(摩尔数)是相同的。据此，通过热平衡计算或实验可决定不同梯级能源区的传热面积和传热条件。

本实用新型的原理

本实用新型将内燃发动机的余热作为外燃发动机的热源加以利用。为提高内燃发动机余热利用效率，产生尽可能多的有用功，本实用新型根据发动机的工作条件将内燃发动机余热系统按能量品位分成复数个能源区，即复数个梯级能源区。每个梯级能源区的能量品位不同，按能量品位高低，使工质由低品位区至高品位区依次流经每个梯级能源区，在外燃机处作功后经冷凝冷却器再进入低品位梯级能源区。根据不同梯级能源区的能量品位，分别用于工质的加热、气化、过热过程。通过设定复数个梯级能源区既可满足内燃发动机不同部位的散热降温条件(例如，缸套周围工质的温度应较低，缸盖处工质的温度可较高，而排气热交换器内的工质温度可更高)，又可充分利用不同品位的余热形成高温气相工质，进而大幅度提高工质的做功能力。由于冷凝液相工质加压泵和液相工质加压泵的单独或同时设置，以及工质承压通道的设置，使得工质在高压下气化，因而消除了工质气化区和工质过热区之间设置气相工质泵的必要性，这样可以有效减少泵送气相工质所需的大量机械功，从而大大提高系统的效率。

本实用新型有以下积极有益的效果：能充分利用发动机气缸套周围的余热以及发动机排气中的余热，从而提高了发动机的热效率，减少了燃油的消耗，降低了发动机的使用成本。

附图说明

图1是本实用新型一实施例的结构组成示意图；

图2是本实用新型另一实施例的结构组成示意图；

图3是本实用新型第三实施例的结构组成示意图；

图4是本实用新型第四实施例的结构组成示意图；

图5是本实用新型承压流体通道的另一结构示意图；

图6为图5的M—M剖视图图；

图7为图5的N—N剖视图图；

图8是本实用新型五实施例的结构组成示意图；

图9是本实用新型六实施例的结构组成示意图；

具体实施方式

附图编号

1.内燃发动机  2.缸套  3.气缸盖  4.排气热交换器5.外燃机  6.冷凝液相工质加压泵  61.液相工质加压泵7.冷凝冷却器  8.缸套工质承压通道  9.缸盖工质承压通道10.升温后的液相工质  101.气相工质  102.过热气相工质103.低压气相工质  104.冷凝冷却后的液相工质  11.控制阀55.外燃机动力输出轴

请参照图1、图2、图3和图4所示的一种梯级能源发动机，包括内燃发动机1、气缸套2、气缸盖3、排气热交换器4、外燃机5和冷凝冷却器7，所述气缸套2外围设有缸套工质承压通道8，所述气缸盖3内设有缸盖工质承压通道9，所述缸套工质承压通道8的工质出口和所述缸盖工质承压通道9的工质入口连通或经液相工质增压泵61连通，所述缸盖工质承压通道9的工质出口与所述排气热交换器4的被加热工质入口连通，所述排气热交换器4的被加热工质出口与所述外燃机5的工质入口连通，所述外燃机5的工质出口与所述冷凝冷却器7的工质入口连通，所述冷凝冷却器7的工质出口与所述缸套工质承压通道8的工质入口连通或经冷凝液相工质加压泵6连通，所述冷凝液相工质加压泵6和所述液相加压泵61可单独设置或共同设置，在不设液相工质加压泵61时所述外燃机5工质入口处的工质压强、所述缸盖工质承压通道9的工质压强和所述缸套工质承压通道8的工质压强依次增大，在设置液相工质加压泵61时所述缸盖工质承压通道9的工质压强大于所述外燃机5工质入口处的压强，而所述缸套工质承压通道8的工质压强可小于所述缸盖工质承压通道9的工质压强。

经冷凝冷却后的液相工质104流入或经冷凝液相工质加压泵6泵入缸套工质承压通道8，升温后的液相工质10流入或经液相工质加压泵61泵入缸盖工质承压通道9继续升温，进一升温并气化为气相工质101，气相工质101流入排气热交换器4进一步升温形成过热气相工质102，过热气相工质102推动外燃机5作功，由外燃机动力输出轴55对外输出动力，经过外燃机5的低压气相工质流入冷凝冷却器形成冷凝冷却后的液相工质104。

所述外燃机5可设为汽轮机、涡轮机或蒸汽机式。

请参照图1所示的梯级能源发动机，所述缸套工质承压通道8和所述缸盖工质承压通道9可单独或一同设为承压腔式。

请参照图5、图6、图7和图9所示的梯级能源发动机，所述缸套工质承压通道8和所述缸盖工质承压通道9可单独或一同设为复数个承压管式，管子可承受较高的内压，复数个承压管相互贯通，既可达到传统发动机腔式冷却结构的冷却效果，同时又能承受更高的工质压强，使发动机运行更加安全、可靠。

请参照图9所示的梯级能源发动机，所述冷凝液相工质加压泵6的工质出口与所述缸套工质承压通道8在所述气缸套2上端(靠近燃烧室)的工质入口连通，所述缸套工质承压通道8在所述气缸套2下端的工质出口(远离燃烧室)与所述缸盖工质承压通道9的入口连通，所述缸盖工质承压通道9的工质出口与所述排气热交换器4的被加热工质入口连通。

请参照图8所示的梯级能源发动机，所述缸套工质承压通道8的工质出口经控制阀11与所述缸盖工质承压通道9的工质入口连通。

实施时，所述内燃发动机1和系统的其它部位的外围可全部或部分增设保温层，可进一步提高发动机的热效率。

Claims (6)

1.一种梯级能源发动机，包括内燃发动机(1)、气缸套(2)、气缸盖(3)、排气热交换器(4)、外燃机(5)和冷凝冷却器(7)，其特征在于：所述气缸套(2)外围设有缸套工质承压通道(8)，所述气缸盖(3)内设有缸盖工质承压通道(9)，所述缸套工质承压通道(8)的工质出口和所述缸盖工质承压通道(9)的工质入口连通或经液相工质增压泵(61)连通，所述缸盖工质承压通道(9)的工质出口与所述排气热交换器(4)的被加热工质入口连通，所述排气热交换器(4)的被加热工质出口与所述外燃机(5)的工质入口连通，所述外燃机(5)的工质出口与所述冷凝冷却器(7)的工质入口连通，所述冷凝冷却器(7)的工质出口与所述缸套工质承压通道(8)的工质入口连通或经冷凝液相工质加压泵(6)连通，所述冷凝液相工质加压泵(6)和所述液相加压泵(61)可单独设置或同时设置，在不设液相工质加压泵(61)时所述外燃机(5)工质入口处的工质压强、所述缸盖工质承压通道(9)的工质压强和所述缸套工质承压通道(8)的工质压强依次增大，在设置液相工质加压泵(61)时所述缸盖工质承压通道(9)的工质压强大于所述外燃机(5)工质入口处的压强而所述缸套工质承压通道(8)的工质压强可小于所述缸盖工质承压通道(9)的工质压强，所述外燃机(5)可设为汽轮机、涡轮机或蒸汽机式。

2.如权利要求1所述梯级能源发动机，其特征在于：所述缸套工质承压通道(8)和所述缸盖工质承压通道(9)可单独或同时设为承压腔式。

3.如权利要求1所述梯级能源发动机，其特征在于：所述缸套工质承压通道(8)和所述缸盖工质承压通道(9)可单独或同时设为复数个承压管式。

4.如权利要求1所述梯级能源发动机，其特征在于：所述冷凝液相工质加压泵(6)的工质出口与所述缸套工质承压通道(8)在所述气缸套(2)上端(靠近燃烧室)的工质入口连通，所述缸套工质承压通道(8)在所述气缸套(2)下端的工质出口(远离燃烧室)与所述缸盖工质承压通道(9)的入口连通，所述缸盖工质承压通道(9)的工质出口与所述排气热交换器(4)的被加热工质入口连通。

5.如权利要求1或4所述梯级能源发动机，其特征在于：所述缸套工质承压通道(8)的工质出口经控制阀与所述缸盖工质承压通道(9)的工质入口连通。

6.如权利要求1所述梯级能源发动机，其特征在于：所述内燃发动机(1)和系统的其它部位的外围可全部或部分增设保温层。

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