CN87102463A - 六冲程复合循环绝热发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型的复合循环发动机的热力循环方法，在燃烧室内先后连续进行两种不同的热力循环：高温燃油——空气循环和朗肯循环，利用朗肯循环直接回收高温燃油——空气循环排出的废气能量。根据这种新型的热力循环方法，本发明提供一种高热效率的六冲程复合循环绝热发动机装置。

Description

本发明属内燃机

现有的内燃机如柴油机、汽油机均为四冲程或两冲程发动机，其有效热效率较低，一般为35%左右，60%以上的热量由冷却水和排出的废气带走。联合循环绝热发动机是现代热效率较高而又可以燃用多种燃料的联合动力装置（汽车工程师协会论文集《绝热发动机的过去、现在和将来的发展》《THE    ADIABATIC    ENGINE：PAST，PRESENT    AND    FUTURE    DEVELOPMENTS》，SOCIETY    OF    AUTOMOTIVE    ENGINEERS，INC，1985）。上述联合动力装置主要由一个四冲程柴油增压机和一燃气轮机（动力涡轮）或一朗肯循环蒸汽轮机组成。在柴油机的燃烧室内表面喷镀一层陶瓷或镶上陶瓷块，以阻止燃气向燃烧室外散热，同时取消原冷却水系统。柴油机做功后排出的高温废气仍有1000℃以上，带走大部分热量。这部分能量由废气通过燃气轮机或朗肯循环蒸汽轮机组做功而被部分回收。因而使得联合循环陶瓷绝热发动机装置的有效热效率高达48%以上。同时，由于采用陶瓷材料绝热后燃烧室室温很高，可以在同一燃烧室内燃用不同的燃料。但这种复合循环绝热发动机由于陶瓷材料的脆性，使其燃烧室零件难以承受长期高温冲击负荷和热疲劳负荷，并导致燃烧室壁的高温给气缸壁的润滑带来严重困难。因而至目前为止，绝热发动机的可靠性和寿命均成为世界上难以解决的问题。现有的复合循环绝热发动机联合动力装置的另一个突出问题是它同时需要两个动力装置配套，结构太复杂且陶瓷发动机造价昂贵。基于现有复合循环绝热发动机装置可靠性差、寿命短和造价高等问题，目前难以得到推广应用。

本发明的任务是提供一种六冲程复合循环绝热发动机的热力循环方法及提供一种六冲程复合循环绝热发动机装置。

本发明仅用一台六冲程增压发动机，在其绝热燃烧室内先后连续进行两种不同的循环，高温燃油-空气循环和            朗肯循环。利用朗肯循环回收废气能量。构成本发明的另一个显著特点是六冲程            发动机的绝热燃烧室既能是高温燃油-空气循环的燃烧室，同时又是朗肯循环中蒸汽膨胀作功的汽缸。下面以六冲程复合循环绝热发动机为例，说明其工作过程：（1）新鲜空气先经增压器1后经空气冷却器2进入空气进气管4（图1），空气进气伐19（图2a）被打开，活塞17由上止点向下运动，空气进入缸内完成第一种程即进气冲程。（2）活塞由下止点向上止点运动，空气进气伐关闭。当活塞运动到接近上止点附近，喷油器喷射燃料，完成了第二冲程即压缩冲程（图2b）。（3）燃油燃烧，燃气推动活塞由上止点向下止点作功是第三冲程，即燃气膨胀冲程（图2C）。（4）燃气排出伐21打开，活塞由下止点向上止点运动排出高温废气物是第四冲程（图2d）。以上四个冲程是普通柴油机的热力循环，构成本发明的第一级热力循环。如图1所示高温废气一部分进入增压器涡轮机16作功后进入废热锅炉10。另一部分经旁通伐9直接进入废热锅炉。这两股废气完成锅炉内的如下热力过程：加热由供水泵14送来的软水，通过预热器13和蒸发器11及过热器12产生高压过热蒸汽，高压过热蒸汽经蒸汽调节伐8进入蒸汽进汽管7。（5）高压蒸汽进汽伐24被打开（图3a），高压蒸汽进入缸内推动活塞由上止点向下运动，当活塞运动到某一位置时，蒸汽进汽伐关闭，高压蒸汽膨胀继续推动活塞向下运动作功（图3b），这是第五冲程，即蒸汽进汽膨胀冲程。（6）当活塞接近下止点时，废蒸汽排出伐25打开，活塞越过下止点向上运动排出废蒸汽，这是第六冲程，即蒸汽排出冲程（图3c）。废蒸汽被导入冷凝器15（图1），经冷却、净化处理后由供水泵送入废热锅炉。上述第五、第六冲程是朗肯循环，构成本发明的第二级热力循环。当活塞运动到上止点附近，空气进气伐再次打开，蒸汽排汽伐关闭，开始新的六冲程热力循环过程。

这样，当发动机的曲轴旋转3转共900度时，高温燃气和蒸汽各膨胀作功一次。在第一冲程和第五冲程开始时，有一个扫气（汽）过程。第一个冲程开始时，利用空气进气伐和蒸汽排汽伐同时开启，重叠一段时间将缸内残留的废蒸汽扫净;在第五冲程开始时，利用蒸汽进汽伐和废燃气排气伐同时开启重叠一段时间，将缸内的残余废气扫除。

由废热锅炉产生的蒸汽压力为20公斤/厘米-50公斤/厘米²，由于高压蒸汽在缸内膨胀作功时缸壁温度一直高于蒸汽温度，因而进入汽缸的蒸汽不需要过高的过热度。由于第二级循环中蒸汽的温度在整个循环过程中远低于燃烧室壁温度，蒸汽可以从燃烧室壁吸收热量而提高第二级循环的热效率。同时使高温的燃烧室另件也得到较大幅度的冷却，从而可采用普通耐热合金材料代替陶瓷材料制造燃烧室另件。即使采用陶瓷材料，也因燃烧室温度较原来大为降低而提高了可靠性和寿命。由于缸壁温度下降，绝热燃烧室的高温润滑问题也得到很大的改善。本发明由于利用蒸汽在绝热燃烧室内膨胀作功直接回收废热能量，加之朗肯循环热效率高，从而使整机有效热效率可达45-50%以上。由于本发明采用在同一个发动机燃烧室内先后连续进行两个不同的热力循环，而不需要两个热机联合组成，因此结构比目前的联合循环绝热发动机动力装置简单，造价低。由于绝热后燃烧室壁温度仍比普通内燃机高，所以在同一个发动机内可燃用不同的燃料如柴油、汽油、动、植物油乃至固体燃料如煤粉等。此外可向废热锅炉喷入不同燃料，实现复合燃料发动机;也可短时间向废热锅炉喷入燃料以获得短时间内提高发动机功率的特殊用途。由于废热锅炉的作用，可使原内燃机的有害排放物和噪音均为下降。

本发明的复合循环绝热发动机还有以下三种型式：

图4所示的复合循环绝热发动机装置，在朗肯循环装置中的蒸发器11是单独放在燃气排气管6和增压器涡轮进口之间的，以降低涡轮进口的燃气温度，降低涡轮制造成本。

图5所示为机械增压式复合循环绝热发动机。该系统高温废气直接进入废气锅炉，因此没有废气涡轮，结构更为简单，加速性能好。

图6所示为开式复合循环绝热发动机装置。在该装置中，排出的废蒸气不再通过冷凝器循环使用，直接供生活取暖或其它用途。

图1为复合循环绝热发动机装置。图中1为增压器压气机，2为空气冷却器，3为废蒸汽排汽管，4为空气进气管，5为六冲程柴油发动机，6为燃气（废气）排气管，7为高压蒸汽进汽管，8为蒸汽调节伐，9为燃气（废气）旁通伐，10为废热锅炉，11为蒸发器，12为过热器，13为预热器，14为供水泵，15为冷凝器。16为增压器涡轮。上述蒸发器11，过热器12，预热器13的具体结构尺寸随发动机装置的功率、缸径和转速通过试验确定。

图2、3为复合循环绝热发动机装置工作原理图。图中17为活塞，18为空气进气道，19为空气进气伐，20为喷油器，21为燃气排出伐，22为燃气排出道;23为高压蒸汽进汽道，24为高压蒸汽进汽伐，25为废蒸汽排出伐，26为废蒸汽排汽道。

图4为另一种复合循环绝热发动机装置。1为增压器压气机，2为空气冷却器，3为废蒸汽排汽管，4为空气进气管，5为六冲程柴油发动机，6为燃气（废气）排气管，7为高压蒸汽进汽管，8为蒸汽调节伐，10为废热锅炉，11为蒸发器，12为过热器，13为预热器，14为供水泵，15为冷凝器，16为增压器涡轮。

图5为机械增压式复合循环绝热发动机装置图。图中1为机械增压压气机，2为空气冷却器，3为废蒸汽排汽管，4为空气进气管，5为六冲程柴油发动机，6为燃气（废气）排气管，7为高压蒸汽进汽管，8为蒸汽调节伐，10为废热锅炉，11为蒸发器，12为过热器，13为预热器，14为供水泵，15为冷凝器。

图6为开式复合循环绝热发动机装置图。图中1为增压器压气机，2为空气冷却器，3为废蒸汽排汽管，4为空气进气管，5为六冲程柴油发动机，6为燃气（废气）排气管，7为高压蒸汽进汽管，8为蒸汽调节伐，9为燃气（废气）旁通伐，10为废热锅炉，11为蒸发器，12为过热器，13为预热器，14为供水泵。16为增压器涡轮。

Claims (4)

1、一种复合循环发动机的热力循环方法，其特征在于仅用一台六冲程发动机在其燃烧室内先后连续进行两种不同的热力循环：高温燃油-空气循环和朗肯循环，利用朗肯循环回收高温燃油-空气循环排出的废气能量。

2、一种六冲程复合循环绝热发动机，其特征在于发动机的绝热燃烧室既是高温燃油-空气循环的燃烧室，又是朗肯循环中蒸汽膨胀作功的汽缸。

3、根据权利要求2所述的复合循环绝热发动机，其特征是在该装置上增加下列主要设备：

a）蒸汽配汽系统，包括蒸汽进汽伐和蒸汽排汽伐及配汽凸轮、齿轮;

b）产生高压过热蒸汽的废热锅炉10，包括预热器13、蒸发器11、过热器12;

c）供水泵14;

d）冷凝器15;

e）蒸汽调节伐。

4、根据权利要求2所述的复合循环绝热发动机，其特征在于绝热燃烧室壁喷陶瓷或用耐热合金-空气塾绝热。

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