CN210714875U - 适用于多种燃料的低压外燃式发动机 - Google Patents
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Abstract
一种适用于多种燃料的低压外燃式发动机，包括压缩缸、换热板、膨胀缸和燃烧器；压缩缸具有压缩缸进气门和压缩缸排气门，膨胀缸具有膨胀缸进气门和膨胀缸排气门；压缩缸排气门经压缩缸排气管与换热板的压缩气体进口相连，换热板的压缩气体出口经膨胀缸进气管与膨胀缸的进气门相连；膨胀缸的排气门经排气管与燃烧器的气体进口相连，燃烧器的高温气体排出口经高温气体供给管道与换热板的高温气体进口相连；经压缩缸压缩后的压缩气体在换热板中与燃烧器排出的高温气体进行换热，吸收高温气体的热量后进入膨胀缸膨胀做功。
Description
技术领域
应用于汽车发电等需要动力机械的领域。
背景技术
在国内汽车迅速普及的今天，空气污染控制、能源消耗安全、可替代燃料以及动力方案多样化等已经成为相关行业技术开发的重点领域。
特别地，在家用汽车领域，随着技术发展，混合动力技术也获得更加广泛的应用。混合动力的驱动系统，可以大幅降低发动机峰值扭矩的要求。这个变化为本发明提及的只有当前先进增压直喷汽油机五分之一左右体积功率密度，但是燃料品类多选，又具备更高热效率的低压外燃式发动机提供了在车辆上普遍应用的可能。
发明内容
本文旨在发明提供一种适用于多种燃料的低压外燃式发动机，以实现燃烧高效，经济性良好的技术效果；由于采用外燃方案，燃料的燃烧组织难度大幅降低，降低了对燃料种类限制和品质要求；燃料燃烧更加充分，改善有害废气的原机排放。
为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种适用于多种燃料的低压外燃式发动机，其特征在于，包括压缩缸、换热板、膨胀缸和燃烧器；压缩缸具有压缩缸进气门和压缩缸排气门，膨胀缸具有膨胀缸进气门和膨胀缸排气门；压缩缸排气门经压缩缸排气管与换热板的压缩气体进口相连，换热板的压缩气体出口经膨胀缸进气管与膨胀缸的进气门相连；膨胀缸的排气门经气管与燃烧器的气体进口相连，气体和燃料在燃烧器中燃烧，燃烧器燃烧得到的高温气体通过排出口经高温气体供给管道与换热板的高温气体进口相连；经压缩缸压缩后的压缩气体在换热板中与燃烧器排出的高温气体进行换热，吸收高温气体的热量后进入膨胀缸膨胀做功。
进一步，膨胀缸的排气门排出的气体先经膨胀缸排气管进入换热板，在换热板内与压缩气体进行换热后再经燃烧器进气管进入燃烧室参与燃烧。
进一步，压缩缸为活塞式压缩缸。
进一步，膨胀缸为活塞式膨胀缸
进一步，燃料为车用柴油、汽油、天然气、液化石油气、煤制燃气、煤炭、秸秆或木柴。
进一步，压力储能容器上设置有换热器，从做功排气尾管9’或高温废气排气尾管12引入较高温度的气体至换热器以对压力储能容器进行保温，做功排气尾管从燃烧器进气管分支。
进一步，压力储能容器的出口处设置有换热器，从做功排气尾管9’或高温废气排气尾管 12引入较高温度的气体至换热器以在出口处进行压缩气体进行加热，做功排气尾管从燃烧器进气管分支。
适用于多种燃料的低压外燃式发动机的做工工质空气与燃烧工质空气分离，做工工质在等压膨胀过程中通过换热方式获取热量。燃料喷入低压燃烧容器，由于背压低，燃料喷射将获得更好的雾化效果，有利于与燃烧空气的充分混合；相对于传统车用汽油机和柴油机，新机器燃烧混合气的混合时间可以大幅增加几倍甚至几十倍，混合时间充分；可燃混合气在接近大气压力以富氧条件燃烧，这些均可遏制尾气中有害成分一氧化碳、碳氢、颗粒物的生成。低压燃烧，使得最高燃烧温度可控在氮氧化物大量生成的范围之外，减少有害氮氧化物的形成。
适用于多种燃料的低压外燃式发动机的进排气门控制借鉴普通汽油机的可变正时方案，并创造性地把做工工质气体的压缩缸和膨胀缸分离以获得比压缩比更大的膨胀比，并且使得压缩比和膨胀比按需灵活合理搭配。由于膨胀比可以按需加大，使得机器弥补了压缩比和工作压力较低带来的劣势，且对做工后工质余热通过换热方式进行回收利用，经过理论模拟计算可知在配有优良换热器的条件下，采用结构相对简单的自然吸气方案新机器的指示功热效率可以超过45％；如果采用增压中冷的进气方式则可以获得更高的达54％的指示功热效率，同时最大扭矩和功率也相应加大。由于新机器在转速与负荷的不同工况下均可工作于最佳压缩比和膨胀比，从而获得较佳热效率，因此其综合燃油经济性将有望优于当前传统的普通汽油机25％～35％。
适用于多种燃料的低压外燃式发动机由于需要较大的换热器以及做工工质压力较低，因此单位体积所能提供的功率较小。在适用于当前普通紧凑型家庭轿车的发动机舱中，可望制造额定功率超过40千瓦最大扭矩超过70牛米的自然吸气式新机器，指示功示功图如图2所示；配合专用电机和电池，制成当前市场普遍采用的油电混合动力方案。
如对该机器增设一个约30升保压40公斤左右的用于回收存储车辆减速制动能量的高压气体储能容器，则其能为一辆约1.4吨左右普通家庭轿车提供从停车起动加速至五六十公里时速一次所需的能量。配合这种在起动过程或者正常行驶期间短期助力的压缩空气储能装置，以低压外燃式发动机为主制成的新型式油气混合动力系统车辆，其加速动力性能将超过配备额定功率在100千瓦左右的1.8升自然吸气汽油机的车辆，并将具备趋近于当前油电混合动力方案的节能效果。
附图说明
图1：低压外燃式发动机第一实施例结构示意图
图2：低压外燃式发动机第一实施例大负荷示功图
图3：低压外燃式发动机第一实施例小负荷示功图
图4：低压外燃式发动机第二实施例结构示意图
附图1零件名称：
1、压缩缸进气门；2、压缩缸；3、压缩缸排气管；4、换热板；5、膨胀缸高压进气管；6膨胀缸进气门；7、膨胀缸；8、膨胀缸排气管；9、燃烧器进气管；9’、做功排气尾管；10、燃烧器；11、高温气体供给管道；12、高温废气排气尾管
具体实施方式
根据本申请的第一实施例，如图1所示，提供一种适用于多种燃料的低压外燃式发动机，包括压缩缸2、换热板4、膨胀缸7和燃烧器10；压缩缸2具有压缩缸进气门1和压缩缸排气门，膨胀缸7具有膨胀缸进气门6和膨胀缸排气门；压缩缸排气门经压缩缸排气管3与换热板4的压缩气体进口相连，换热板4的压缩气体出口经膨胀缸进气管5与膨胀缸进气门6 相连；膨胀缸的排气门经排气管8与燃烧器10的气体进口相连，气体和燃料在燃烧器10中燃烧，燃烧器10燃烧得到的高温气体通过排出口经高温气体供给管道11与换热板的高温气体进口相连；经压缩缸2压缩后的压缩气体在换热板4中与燃烧器10排出的高温气体进行换热，吸收高温气体的热量后进入膨胀缸7膨胀做功。
优选的，膨胀缸排气门排出的气体先经膨胀缸排气管8进入换热板4，在换热板4内与压缩气体进行换热后再经燃烧器进气管9进入燃烧室10参与燃烧。
压缩缸2可以选择为活塞式压缩缸，膨胀缸7可以选择为活塞式膨胀缸。
燃料可以选择为为车用柴油、汽油、天然气、液化石油气、煤制燃气、甚至生物燃料、煤炭、秸秆或木柴。
适用于多种燃料的低压外燃式发动机的工作过程如下：
压缩缸2旋转活塞经过上顶点时，压缩缸进气门1开启，活塞继续下行，抽吸自然界中的空气，压缩缸进气门1的关闭时刻按进气量所需进行确定；压缩缸2旋转上行，气缸中的空气被压缩，压力增加。当压力超过压缩缸排气管3中的压力时，高压空气排入压缩缸排气管3中。压缩缸排气管3及膨胀缸高压进气管5通过换热板4中的换热通道相连，形成较大的一定容积高温高压气体容腔。高压气体在换热板4中通过换热吸收从膨胀缸排气管8以及高温气体供给管道11中通过的气体热量，压力上升。
当膨胀缸7的活塞经过上顶点时，膨胀缸进气门6开启，从膨胀缸高压进气管5中来的高温高压气体进入膨胀缸7，推动活塞7下行开始做工；同时高温高压气体容腔压力相应降低。在所需的适当时刻膨胀缸进气门6关闭，膨胀缸7活塞继续下行做工推动曲轴旋转，气体压力和温度下降。膨胀缸7活塞旋转上行时，排气门打开，高温低压气体排出至膨胀缸排气管8。
高温排气经膨胀缸排气管8进入换热板4，对压缩排气管3中的高压气体进行初步加热。经过换热板4，气体温度有一定程度降低，分成两路。一路经过燃烧器进气管9进入燃烧器 10，流量根据燃烧器的燃烧控制所需进行分配；剩余气体经过做功排气管9’排入进入大气，做功排气尾管9’从燃烧器进气管9分支。通过燃烧器进气管9进入燃烧器10的气体经过燃料燃烧放热后形成高温气体，通过高温气体供给管道11进入换热板4对做工工质气体进行加热，再经过高温废气排气尾管12排入大气。
根据第二实施例，如图4所示，在压缩缸2和膨胀缸7之间设置一个压力储能容器15，用以回收存储车辆制动能量，为膨胀缸提供压缩气体。优选的，压力储能容器上设置有换热器，从做功排气尾管9’或高温废气排气尾管12引入较高温度的气体至换热器以对压力储能容器进行保温；或者压力储能容器的出口处设置有换热器，从做功排气尾管9’或高温废气排气尾管12引入较高温度的气体至换热器以在出口处进行压缩气体进行加热，从而减小因散热导致所存储能量的损失。
本发明除了可能应用在交通车辆上之外，还能被发展成为小型移动式发电机组，由于其多燃料的特性，可能弥补燃油供给不便捷地区的临时电力供给。如果小型化该机器，则还可以发展成为普通汽柴油发动机高温废气余热的能量回收装置。
Claims (8)
1.适用于多种燃料的低压外燃式发动机，其特征在于，包括压缩缸、换热板、膨胀缸和燃烧器；压缩缸具有压缩缸进气门和压缩缸排气门，膨胀缸具有膨胀缸进气门和膨胀缸排气门；压缩缸排气门经压缩缸排气管与换热板的压缩气体进口相连，换热板的压缩气体出口经膨胀缸进气管与膨胀缸进气门相连；膨胀缸排气门经膨胀缸排气管与燃烧器的燃烧器进气管相连，气体和燃料在燃烧器中燃烧，燃烧器燃烧得到的高温气体通过排出口经高温气体供给管道与换热板的高温气体进口相连；经压缩缸压缩后的压缩气体在换热板中与燃烧器排出的高温气体进行换热，吸收高温气体的热量后进入膨胀缸膨胀做功。
2.如权利要求1所述的低压外燃式发动机，其特征在于，膨胀缸的排气门排出的气体先经膨胀缸排气管进入换热板，在换热板内与压缩气体进行换热后再经燃烧器进气管进入燃烧室参与燃烧。
3.如权利要求1所述的低压外燃式发动机，其特征在于，压缩缸为活塞式压缩缸。
4.如权利要求1所述的低压外燃式发动机，其特征在于，膨胀缸为活塞式膨胀缸。
5.如权利要求1所述的低压外燃式发动机，其特征在于，所述燃料为柴油、汽油、天然气、液化石油气、煤制燃气、煤炭、秸秆或木柴。
6.如权利要求1所述的低压外燃式发动机，其特征在于，在压缩缸和膨胀缸之间设置一个压力储能容器，用以回收存储车辆制动能量，为膨胀缸提供压缩气体。
7.如权利要求6所述的低压外燃式发动机，其特征在于，压力储能容器上设置有换热器，从做功排气尾管(9’)或高温废气排气尾管(12)引入较高温度的气体至换热器以对压力储能容器进行保温，做功排气尾管从燃烧器进气管分支。
8.如权利要求6所述的低压外燃式发动机，其特征在于，压力储能容器的出口处设置有换热器，从做功排气尾管(9’)或高温废气排气尾管(12)引入较高温度的气体至换热器以在出口处进行压缩气体进行加热，做功排气尾管从燃烧器进气管分支。
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