專利名稱：三類門熱氣發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及熱動力領域，尤其是一種熱氣發(fā)動機。
背景技術：
傳統(tǒng)內(nèi)燃機一般是將高溫尾氣直接排放掉，導致熱量損耗嚴重。然而傳統(tǒng)的熱氣機中氣體工質(zhì)需要熱量來加熱，常規(guī)的加熱方式為外燃式，燃料的使用效率又較低，因此針對現(xiàn)有內(nèi)燃機和熱氣機的燃料使用效率，需要提供一種能對發(fā)動機排氣中余熱進行進一步利用的發(fā)動機。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提出的技術方案如下:方案1:一種三類門熱氣發(fā)動機,包括氣缸活塞機構,所述氣缸活塞機構的氣缸上設有進氣口和往復流通口，所述進氣口處設有對應的進氣門，所述三類門熱氣發(fā)動機還包括附屬氣缸活塞機構，在所述附屬氣缸活塞機構的氣缸上設附屬往復流通口和乏氣排出口，在所述乏氣排出口處設對應的乏氣門；所述往復流通口經(jīng)往復連通通道與所述附屬往復流通口連通；在所述氣缸活塞機構的氣缸內(nèi)和/或在所述往復連通通道內(nèi)和/或在與所述進氣口連通的通道內(nèi)設燃燒室。方案2:在方案I的基礎上，在所述燃燒室與所述附屬往復流通口之間的所述往復連通通道上和/或在所述附屬氣缸活塞機構的氣缸上設冷卻器。方案3:在方案I的基礎上，在所述燃燒室與所述附屬往復流通口之間的所述往復連通通道內(nèi)設回熱器。方案4:在方案3的基礎上，在所述回熱器與所述附屬往復流通口之間的所述往復連通通道上和/或在所述附屬氣缸活塞機構的氣缸上設冷卻器。方案5:在方案I至4任一方案的基礎上，在所述附屬往復流通口處設對應的附屬往復流通控制門。方案6:在方案I至4任一方案的基礎上，所述進氣門和所述乏氣門受使所述氣缸活塞機構按照吸氣沖程-壓縮沖程-燃燒膨脹做功沖程-供氣沖程-回充沖程-供氣沖程的循環(huán)模式工作的控制機構控制。方案7:在方案I至4任一方案的基礎上，所述進氣門和所述乏氣門受使所述氣缸活塞機構按照吸氣沖程-壓縮沖程-燃燒膨脹做功沖程-供氣沖程-回充沖程-供氣沖程-回充沖程-供氣沖程的循環(huán)模式工作的控制機構控制。方案8:在方案I至4任一方案的基礎上，所述三類門熱氣發(fā)動機還包括渦輪動力機構和葉輪壓氣機，所述乏氣排出口與所述渦輪動力機構的氣體入口連通，所述進氣口與所述葉輪壓氣機的氣體出口連通。方案9:在方案8的基礎上,所述渦輪動力機構對所述葉輪壓氣機輸出動力。方案10:在方案I至4任一方案的基礎上,在所述附屬氣缸活塞機構的氣缸上設附屬進氣口和排氣口，所述排氣口與所述進氣口連通；在所述附屬進氣口處設對應的附屬進氣門，在所述排氣口處設對應的排氣門。方案11:在方案I至4任一方案的基礎上，所述三類門熱氣發(fā)動機還包括渦輪動力機構和葉輪壓氣機，所述乏氣排出口與所述渦輪動力機構的工質(zhì)入口連通，所述渦輪動力機構的工質(zhì)出口經(jīng)冷卻器與所述葉輪壓氣機的工質(zhì)入口連通，所述葉輪壓氣機的工質(zhì)出口與工質(zhì)通道連通；所述渦輪動力機構的工質(zhì)出口與所述葉輪壓氣機的工質(zhì)入口之間的通道上設有工質(zhì)導出口。方案12:在方案I至4任一方案的基礎上,所述氣缸活塞機構和/或所述附屬氣缸活塞機構設為活塞液體機構，所述活塞液體機構包括氣液缸和氣液隔離結構，所述氣液隔離結構設在所述氣液缸內(nèi)。方案13:在方案12的基礎上，所述氣液缸內(nèi)的氣體工質(zhì)對所述氣液隔離結構的壓力大于所述氣液缸內(nèi)的液體和所述氣液隔離結構做往復運動時的慣性力之和。方案14:在方案I至4任一方案的基礎上，所述三類門熱氣發(fā)動機還包括四類門氣缸活塞機構，所述四類門氣缸活塞機構的供氣口與所述進氣口連通，所述四類門氣缸活塞機構的回充口與所述乏氣排出口連通。方案15:在方案I至4任一方案的基礎上，所述燃燒室排出的物質(zhì)的質(zhì)量流量大于從工質(zhì)通道外導入所述燃燒室的物質(zhì)的質(zhì)量流量。方案16:在方案I至4任一方案的基礎上，所述三類門熱氣發(fā)動機還包括低溫冷源，所述低溫冷源用于提供低溫物質(zhì)，所述低溫物質(zhì)用于冷卻所述附屬氣缸活塞機構中和/或從工質(zhì)通道中即將進入所述附屬氣缸活塞機構的工質(zhì)。方案17:在方案I至4任一方案的基礎上,所述氣缸活塞機構和/或所述附屬氣缸活塞機構設為對直活塞氣缸機構。方案18:在方案I至4任一方案的基礎上,所述氣缸活塞機構與所述附屬氣缸活塞機構為共軸設置，且為V型布置。方案19:在方案I至4任一方案的基礎上,所述氣缸活塞機構與所述附屬氣缸活塞機構為α型或β型設置。方案20:在方案I至4任一方案的基礎上,多個所述氣缸活塞機構的氣缸上的所述往復流通口與一個所述附屬氣缸活塞機構的氣缸上的所述附屬往復流通口連通。本發(fā)明的原理是:從所述氣缸活塞機構的氣缸上的所述進氣口吸氣，所述三類門熱氣發(fā)動機中的工質(zhì)被所述氣缸活塞機構和/或所述附屬氣缸活塞機構壓縮，在所述燃燒室內(nèi)燃燒膨脹的工質(zhì)推動所述氣缸活塞機構的活塞對外做功后，經(jīng)所述往復連通通道導入所述附屬氣缸活塞機構的氣缸并在其內(nèi)被壓縮，且在壓縮前和/或壓縮時釋放一部分熱量，然后再經(jīng)所述往復連通通道導回所述氣缸活塞機構的氣缸內(nèi)推動活塞做功，燃燒爆炸做功后的工質(zhì)在所述氣缸活塞機構和所述附屬氣缸活塞機構之間的所述往復連通通道內(nèi)如此往復流通至少一次，最后從所述乏氣排出口排出。在所述附屬往復流通口設有附屬往復流通控制門的結構中，所述乏氣排出口排出工質(zhì)時，可以關閉所述附屬往復流通控制門使所述往復連通通道內(nèi)保持一定的壓力；在所述附屬往復流通口不設附屬往復流通控制門的結構中，所述乏氣排出口排出工質(zhì)過程中，所述往復連通通道內(nèi)的壓力逐漸下降到環(huán)境壓力。
根據(jù)上述工作循環(huán)的要求，可以選擇適合的控制機構對本發(fā)明中所述氣缸活塞機構和所述附屬氣缸活塞機構中的活塞運動進行控制。本發(fā)明中，所謂的工質(zhì)通道是指所述三類門熱氣發(fā)動機正常工作時工質(zhì)流能到達的空間。本發(fā)明中，所謂的乏氣排出口是指所述氣缸活塞機構和所述附屬氣缸活塞機構中的工質(zhì)經(jīng)過在此兩缸多次循環(huán)流動后排出兩缸的排氣口 ；以區(qū)別于現(xiàn)有內(nèi)燃機的排氣口。本發(fā)明中，在所述燃燒室中發(fā)生燃燒化學反應的燃料可以是碳氫化合物、碳氫氧化合物或固體碳。固體碳具有燃燒后沒有水生成和燃燒后產(chǎn)物中的二氧化碳濃度高、易液化等優(yōu)點；固體碳可采用固體預先裝配、粉末化后噴入或粉末化后再用液體或氣體二氧化碳流化后噴入的方式輸入所述燃燒室。本發(fā)明中，所述氣液缸是指可以容納氣體工質(zhì)和/或液體，并能承受一定壓力的容器，所述氣液缸被所述氣液隔離結構分隔成氣體端和液體端，所述氣液缸的氣體端設有氣體工質(zhì)流通口，所述氣體工質(zhì)流通口用于與所述工質(zhì)通道中的其他裝置或機構連通；所述氣液缸的液體端設有液體流通口，所述液體流通口用于與液壓動力機構和/或液體工質(zhì)回送系統(tǒng)連通。本發(fā)明中，所述氣液隔離結構是指可以在所述氣液缸中做往復運動的結構體，如隔離板、隔離膜、活塞等，其作用是隔離所述氣液缸中的氣體工質(zhì)和液體，優(yōu)選地，所述氣液隔離結構和所述氣液缸密封滑動配合。在所述活塞液體機構工作過程中，根據(jù)所述氣液隔離結構處于所述氣液缸內(nèi)的不同位置，所述氣液缸內(nèi)可能全部是氣體工質(zhì)，也可能全部是液體，或者氣體工質(zhì)和液體同時存在。本發(fā)明中，所述氣液缸內(nèi)的液體和所述氣液隔離結構與傳統(tǒng)的活塞連桿機構不同，傳統(tǒng)的活塞連桿機構中的活塞可受連桿的推力或拉力停下，從而實現(xiàn)對活塞行程的限制，而在所述氣液缸中，當所述氣液缸內(nèi)的氣體工質(zhì)做正功時，所述氣液隔離結構受壓力向下止點方向移動，將液體以高壓形式排出所述氣液缸并推動液壓動力機構(例如液體馬達)對外做功，當液體即將排盡時，改變液體馬達工作模式或啟動液體工質(zhì)回送系統(tǒng)，使所述氣液缸內(nèi)的液體不再減少，此時液體會對所述氣液缸內(nèi)的所述氣液隔離結構施加制動力，使其停止，以防止其撞擊氣液缸的液體端底部的壁；當不斷向所述氣液缸內(nèi)輸入液體時，所述氣液隔離結構會不斷向上止點方向移動，當?shù)竭_上止點附近時，停止向所述氣液缸內(nèi)輸入液體或者使所述氣液缸內(nèi)的液體減少(流出)，盡管如此，所述氣液缸內(nèi)的液體和所述氣液隔離結構仍然會由于慣性向上止點方向運動，此時，如果所述氣液缸內(nèi)的氣體工質(zhì)的壓力不夠高，則會導致所述氣液隔離結構繼續(xù)向上運動而撞擊氣液缸頂部的壁，為了避免這種撞擊，需要使氣液缸內(nèi)氣體工質(zhì)的壓力足夠高，使其對所述氣液隔離結構的壓力大于所述氣液缸內(nèi)的液體和所述氣液隔離結構做往復運動時的慣性力之和。本發(fā)明中，在所述三類門熱氣發(fā)動機的工作過程中所述氣液缸內(nèi)的液體和所述氣液隔離結構做往復運動時的慣性力之和是變化的，因此在工程設計中應保證在任何工作時刻都滿足“所述氣液缸內(nèi)的氣體工質(zhì)對所述氣液隔離結構的壓力大于所述氣液缸內(nèi)的液體和所述氣液隔離結構做往復運動時的慣性力之和”的條件，例如通過調(diào)整所述工質(zhì)通道中的工作壓力、調(diào)整氣液隔離結構的質(zhì)量、調(diào)整液體密度或調(diào)整液體深度等方式來實現(xiàn)，其中，所述液體深度是指液體在做往復運動方向上的液體的深度。
所謂的“調(diào)整所述工質(zhì)通道中的工作壓力”是通過調(diào)整流入和/或流出所述工質(zhì)通道的氣體工質(zhì)的體積流量來實現(xiàn)的，例如可以通過調(diào)整所述乏氣排出口的開關間隔、每次開啟的時間和/或所述乏氣排出口的開口大小來實現(xiàn)。本發(fā)明中，通過調(diào)整所述工質(zhì)通道的工作壓力(例如可以通過調(diào)整所述乏氣排出口的開關時間來實現(xiàn))以及所述氣缸活塞機構的排量，以控制所述氣缸活塞機構的質(zhì)量排量，使所述燃燒室排出的物質(zhì)的質(zhì)量流量M2大于從所述工質(zhì)通道外導入所述燃燒室的物質(zhì)的質(zhì)量流量M1，也就是說除了從所述工質(zhì)通道外導入所述燃燒室的物質(zhì)外，還有一部分物質(zhì)是從所述工質(zhì)通道中導入所述燃燒室的，由于所述燃燒室是設置在所述工質(zhì)通道內(nèi)的，所以也就是說從所述燃燒室排出的物質(zhì)至少有一部分流回所述燃燒室，即實現(xiàn)了工質(zhì)在所述氣缸活塞機構和所述附屬氣缸活塞機構之間的往復流動。從所述工質(zhì)通道外向所述燃燒室導入的物質(zhì)可以是氧化劑、還原劑、壓縮氣體或高溫燃氣等。本發(fā)明中，所述低溫冷源是指能提供溫度在0°C以下的低溫物質(zhì)的裝置、機構或儲罐，例如采用商業(yè)購買方式獲得的儲存有低溫物質(zhì)的儲罐，所述低溫物質(zhì)可以是液氮、液氧、液氦或液化空氣等。當本發(fā)明中氧化劑為液氧時，液氧可直接作為所述低溫物質(zhì)。所謂的液氧包括商業(yè)液氧或現(xiàn)場制備的液氧。本發(fā)明中，所述低溫冷源以直接與所述工質(zhì)通道連通使所述低溫物質(zhì)與所述工質(zhì)通道內(nèi)的工質(zhì)混合的方式，或者以經(jīng)換熱裝置使所述低溫物質(zhì)與所述工質(zhì)通道內(nèi)的工質(zhì)換熱的方式，對所述附屬氣缸活塞構中或即將進入所述附屬氣缸活塞機構的工質(zhì)進行冷卻處理。熱氣機是一種工作循環(huán)接近卡諾循環(huán)的動力機構，其熱效率的計算可以參考卡諾循環(huán)
熱效率計算公式從中可知，當冷源溫度T2下降時，熱效率η升高，而且向冷源
排放的熱量減少，如果冷源溫度Τ2下降幅度很大，即冷源溫度很低，則熱效率η很高，向冷源排放的熱量很小。由此推斷，可用溫度相當?shù)偷牡蜏匚镔|(zhì)使冷源溫度T2大幅下降，從而大幅減少向冷源排放的熱量，有效提聞發(fā)動機效率。溫度越低的低溫物質(zhì)(例如液氧、液氮或液氦等)，在制造過程中需要消耗越多的能量，但是就單位質(zhì)量而言，對發(fā)動機熱效率n提升的貢獻越大，就好比將能量存儲在溫度很低的物質(zhì)中，相當于一種新型電池的概念，所述低溫物質(zhì)可以使用垃圾電等成本很低的能源來制造，從而有效降低發(fā)動機的使用成本。本發(fā)明中，所述低溫冷源中的所述低溫物質(zhì)發(fā)揮冷卻作用后，既可導入所述工質(zhì)通道中，作為所述三類門熱氣發(fā)動機的循環(huán)工質(zhì)，也可不導入所述工質(zhì)通道中。本發(fā)明中，所述四類門氣缸活塞機構是指氣缸上設有進氣口、排氣口、供氣口和回充口，在所述進氣口、所述排氣口、所述供氣口和所述回充口處依次對應設置進氣門、排氣門、供氣門和回充門的氣缸活塞機構。本發(fā)明中，所謂的兩個氣缸活塞機構α型設置是指α型斯特林發(fā)動機中兩個氣缸活塞機構的設置方式，所謂的兩個氣缸活塞機構β型設置是指β型斯特林發(fā)動機中兩個氣缸活塞機構的設置方式。本發(fā)明中，所述燃燒室設在所述氣缸活塞機構的氣缸內(nèi)時，燃料在所述氣缸活塞機構中燃燒可能是壓燃方式也可能是點火燃燒方式，如果是采用點火燃燒的方式，還需要在所述氣缸活塞機構上設點火裝置，例如火花塞。本發(fā)明中，所述工質(zhì)通道內(nèi)的工質(zhì)需要經(jīng)過壓縮、加熱升溫升壓、做功以及被冷卻的過程，這就要求所述工質(zhì)通道能承受一定壓力，選擇性地，所述工質(zhì)通道的承壓能力可設為大于 2MPa、2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、lOMPa、10.5MPa、IIMPa、11.5MPa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、20.5MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa、25MPa、26MPa、27MPa、28MPa、29MPa、30MPa、31MPa、32MPa、33MPa、34MPa、35MPa、36MPa、37MPa、38MPa、39MPa或大于40MPa。本發(fā)明中，所述工質(zhì)通道中的工質(zhì)壓力與其承壓能力相匹配，即所述工質(zhì)通道的工質(zhì)的最高壓力達到其承壓能力。本發(fā)明中，所謂的共軸是指所述氣缸活塞機構和所述附屬氣缸活塞機構均與同一曲軸的同一連桿軸頸連接，兩缸的軸線設為V型；或是指兩缸與同一曲軸不同相位的兩個連桿軸頸相連接，兩缸的軸線夾角小于90度。本發(fā)明人提出如下所述P-T圖和熱力學第二定律的新的闡述方式:壓力和溫度是工質(zhì)的最基本、最重要的狀態(tài)參數(shù)。然而，在至今為止的熱力學研究中，沒有將以壓力P和溫度T為坐標的P-T圖用于對熱力學過程及熱力循環(huán)的研究中。在熱力學誕生以來的兩百多年里，本發(fā)明人第一次提出用P-T圖研究熱力學過程和熱力循環(huán)的思想。在利用P-T圖研究熱力學過程和熱力循環(huán)中，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)P-T圖比常用的P-V圖和T-S圖都具有明顯的優(yōu)勢，它能更本質(zhì)地描述熱力學過程和熱力循環(huán)中工質(zhì)狀態(tài)的變化，使本發(fā)明人對熱力學過程和熱力循環(huán)有更深刻的理解。利用P-T圖，本發(fā)明人總結了十條熱力學第二定律的新的闡述方式，這些新的闡述方式與以往的開爾文和克勞修斯的熱力學闡述方式雖然等價，但是更明確的揭示了對工質(zhì)的加熱過程和壓縮過程的區(qū)別，也為高效熱機的開發(fā)指明了方向。這一新方法和新定律，將大大促進熱力學的發(fā)展和熱機工業(yè)的進步。具體如下:P-V圖和T-S圖在熱力學研究中早已被廣泛應用，然而鑒于P、T是工質(zhì)最重要的狀態(tài)參數(shù)，所以本發(fā)明人以壓力P和溫度T為坐標繪制了 P-T圖，并將Carnot Cycle和OttoCycle標識在圖14所示的P-T圖中。很明顯地，P-T圖使熱力學過程和熱力循環(huán)中工質(zhì)狀態(tài)的變化更加顯而易見，也使熱力學過程和熱力循環(huán)的本質(zhì)更易理解。例如:圖14所示的CarnotCycle的P-T圖,可以使本發(fā)明人容易地得出這樣的結論:Carnot Cycle的可逆絕熱壓縮過程的使命是以可逆絕熱壓縮的方式將工質(zhì)的溫度升高至其高溫熱源的溫度，以實現(xiàn)與高溫熱源的溫度保持一致的前提下自高溫熱源恒溫吸熱膨脹過程。此外，本發(fā)明人還可以明顯地看出:當Carnot Cycle的高溫熱源的溫度升高時,本發(fā)明人必須在Carnot Cycle的可逆絕熱壓縮過程中將工質(zhì)更加深度地壓縮，使其達到更高的溫度，以達到升溫后的高溫熱源的溫度，以實現(xiàn)與升溫后的高溫熱源的溫度保持一致的前提下自升溫后的高溫熱源恒溫吸熱膨脹過程，從而實現(xiàn)效率的提高。根據(jù)絕熱過程方程P=CTk/k-1(其中，C是常數(shù)，k是工質(zhì)的絕熱指數(shù))，本發(fā)明人將不
同C值的絕熱過程方程的曲線繪制在圖15中。根據(jù)數(shù)學分析，并如圖15所示，任何兩條絕熱過程曲線都不相交。這意味著:在同一條絕熱過程曲線上的過程是絕熱過程，而與任何絕熱過程曲線相交的過程是非絕熱過程，換句話說，任何連接兩條不同絕熱過程曲線的過程是非絕熱過程(所謂的非絕熱過程是指具有熱量傳遞的過程，即放熱的過程和吸熱的過程)。在圖16中，本發(fā)明人標注了兩個狀態(tài)點，即點A和點B。如果一個熱力過程或一系列相互連接的熱力過程從點A出發(fā)到達點B，則本發(fā)明人稱之為連接點A和點B的過程，反之本發(fā)明人稱之為連接點B和點A的過程。根據(jù)圖16所示，本發(fā)明人可以得出這樣的結論:如點B在點A所在的絕熱過程曲線上，則連接點A和點B的過程是絕熱過程；如點B在點A所在的絕熱過程曲線的右側，則連接點A和點B的過程是吸熱過程；如點B在點A所在的絕熱過程曲線的左側，則連接點A和點B的過程是放熱過程。由于連接點A和點B的過程可能是放熱過程、絕熱過程或吸熱過程，所以本發(fā)明人以點B為參照，將點A分別定義為具有過剩溫度、理想溫度和不足溫度。同理，連接點B和點A的過程可能是放熱過程、絕熱過程或吸熱過程，所以本發(fā)明人以點A為參照，將點B分別定義為具有過剩溫度、理想溫度和不足溫度。通過這些分析和定義，本發(fā)明人得出如下十條關于熱力學第二定律的新的闡述方式:1、沒有吸熱過程的參與，不可能將放熱過程恢復至其始點。2、沒有放熱過程的參與，不可能將吸熱過程恢復至其始點。3、沒有非絕熱過程的參與，不可能將非絕熱過程恢復至其始點。4、僅用絕熱過程，不可能將非絕熱過程恢復至其始點。5、用放熱過程以外的熱力過程使吸熱過程的壓力恢復到其始點的壓力時，其溫度
一定高于其始點的溫度。6、用吸熱過程以外的熱力過程使放熱過程的壓力恢復到其始點的壓力時，其溫度一定低于其始點的溫度。7、吸熱過程不可能不產(chǎn)生過剩溫度。8、放熱過程不可能不產(chǎn)生不足溫度。9、任何在壓縮過程中不放熱的熱機的效率不可能達到卡諾循環(huán)的效率。10、對工質(zhì)的加熱過程和對工質(zhì)的壓縮過程的區(qū)別在于:加熱過程一定產(chǎn)生過剩溫度，而壓縮過程則不然。關于熱力學第二定律的十條新的闡述方式，是等價的，也是可以經(jīng)數(shù)學證明的，這十條闡述方式中的任何一條均可單獨使用。本發(fā)明人建議:在熱力學研究過程中，應廣泛應用P-T圖及上述關于熱力學第二定律的新的闡述方式。P-T圖以及關于熱力學第二定律的新的闡述方式對熱力學的進步和高效熱機的開發(fā)具有重大意義。熱力學第二定律的新的闡述方式的英文表達:1.1t is impossible to return a heat rejection process to its initialstate without a heatinjectionprocess involved.
2.1t is impossible to return a heatinjection process to its initialstate without a heat rejectionprocess involved.
3.1t is impossible to return a non-adiabatic process to its initialstate without anon-adiabatic process involved.
4.1t is impossible to return a non-adiabatic process to its initialstate only by adiabaticprocess.
5.1f the final pressure of heatinjection process is returned to itsinitial pressure by processother than heat rejection process, the temperature ofthat state is higher than that of the initialstate.
6.1f the fnal pressure of heat rejection process is returned to itsinitial pressure by processother than heatinjection process, the temperatureofthat state is lower than that ofthe initial state.
7.1t is impossible to make heatinjection process not generateexcess-temperature.
8.1t is impossible to make heat rej ection process not generateinsufficient-temperature.
9.1t is impossible for any device that operates on a cycle to reachthe efficiency indicatedby Carnot cycle without heat rejection in compressionprocess.
10.The difference between heatinjection process and compression processwhich are appliedto working fluid of thermodynamic process or cycle is thatheatinjection process must generateexcess—temperature，but compression processmust not.
本發(fā)明中，應根據(jù)發(fā)動機、熱氣機及熱動力領域的公知技術，在必要的地方設置必要的部件、單元或系統(tǒng)。本發(fā)明的有益效果如下:本發(fā)明所述三類門熱氣發(fā)動機利用一次燃燒膨脹做功后的工質(zhì)作為熱氣機循環(huán)的高溫氣體工質(zhì)，在所述氣缸活塞機構與所述附屬氣缸活塞機構的配合下進行熱氣機循環(huán)，實現(xiàn)了對一次做功后的工質(zhì)中的熱量的進一步利用，從而使得發(fā)動機的熱效率得以提高，有利于節(jié)約能源，且結構簡單、實用性強，具有廣闊的應用前景。


圖1所示的是本發(fā)明實施例1的結構示意圖；圖2所示的是本發(fā)明實施例2的結構示意圖；圖3所示的是本發(fā)明實施例3的結構示意圖；圖4所示的是本發(fā)明實施例4的結構示意圖；圖5所示的是本發(fā)明實施例5的結構示意圖；圖6所示的是本發(fā)明實施例6的結構示意圖；圖7所示的是本發(fā)明實施例7的結構示意圖；圖8所示的是本發(fā)明實施例8的結構示意圖；圖9所示的是本發(fā)明實施例9的結構示意圖；圖10所示的是本發(fā)明實施例10的結構示意圖；圖11所示的是本發(fā)明實施例11的結構示意圖；圖12所示的是本發(fā)明實施例12的結構示意圖；圖13所示的是本發(fā)明所述對置氣缸活塞機構的結構示意圖；圖14所示的是卡諾循環(huán)和奧拓循環(huán)的P-T圖，其中，Ctl, C1和C2是不同數(shù)值的常數(shù)，k是絕熱指數(shù)，循環(huán)0-1-2-3-0是卡諾循環(huán)，循環(huán)0-1-4-5-0是聞溫熱源溫度升聞后的卡諾循環(huán)，循環(huán)0-6-7-8-0是奧拓循環(huán)；圖15所示的是多條不同絕熱過程曲線的P-T圖，其中，C1, C2，C3,(；和(:5是不同數(shù)值的常數(shù)，k是絕熱指數(shù)，A和B是狀態(tài)點；圖16所示的是絕熱過程曲線的P-T圖，其中，C是常數(shù)，k是絕熱指數(shù)，A和B是狀態(tài)點；圖中: I氣缸活塞機構、11進氣口、110進氣門、12往復流通口、21葉輪壓氣機、22渦輪動力機構、25冷卻器、3附屬氣缸活塞機構、31附屬往復流通口、33附屬進氣口、34排氣口、310附屬往復流通控制門、32乏氣排出口、320乏氣門、4回熱器、5燃燒室、23工質(zhì)導出口、8低溫冷源、96液壓動力機構、97液體回送系統(tǒng)、99過程控制機構、100往復連通通道、111氣液缸、112氣液隔離機構、113液體流通口、200四類門氣缸活塞機構、201壓氣進氣口、202附屬排氣口、203供氣口、204回充口。
具體實施例方式實施例1如圖1所不的三類門熱氣發(fā)動機,包括氣缸活塞機構I和附屬氣缸活塞機構3,所述氣缸活塞機構I的氣缸上設有進氣口 11和往復流通口 12，所述進氣口 11處設有對應的進氣門110,且所述氣缸活塞機構I的氣缸內(nèi)設有燃燒室5 ;所述附屬氣缸活塞機構3的氣缸上設有附屬往復流通口 31和乏氣排出口 32，所述乏氣排出口 32處設有對應的乏氣門320 ;所述往復流通口 12經(jīng)往復連通通道100與所述附屬往復流通口 31連通。所述氣缸活塞機構I的氣缸上的所述進氣門110和所述附屬氣缸活塞機構3的氣缸上的所述乏氣門320，均受本發(fā)明發(fā)動機的控制機構控制，使得所述氣缸活塞機構I按照吸氣沖程-壓縮沖程-燃燒膨脹做功沖程-供氣沖程-回充沖程-供氣沖程的六沖程循環(huán)模式工作。所述壓縮沖程中，所述氣缸活塞機構I和所述附屬氣缸活塞機構3中的活塞同時上行壓縮工質(zhì)。選擇性地，也可以僅由所述氣缸活塞機構I中的活塞上行壓縮工質(zhì)。根據(jù)上述工作循環(huán)的要求，選擇適合的控制機構對本發(fā)明中所述氣缸活塞機構I和所述附屬氣缸活塞機構3中的活塞運動進行控制，使所述附屬氣缸活塞機構3按照與所述氣缸活塞機構I相對應的循環(huán)模式工作。所述燃燒室5中發(fā)生燃燒化學反應的燃料可以是碳氫化合物、碳氫氧化合物或固體碳，其中，固體碳可選擇性地采用固體預先裝配、粉末化后噴入或粉末化后再用液體或氣體二氧化碳流化后噴入的方式輸入所述燃燒室5。實施例2如圖2所不的三類門熱氣發(fā)動機,在實施例1的基礎上:所述附屬氣缸活塞機構3的氣缸上設有冷卻器25。所述氣缸活塞機構I的氣缸上的所述進氣門110和所述附屬氣缸活塞機構3的氣缸上的所述乏氣門320，均受本發(fā)明發(fā)動機的控制機構控制，使得所述氣缸活塞機構I按照吸氣沖程-壓縮沖程-燃燒膨脹做功沖程-供氣沖程-回充沖程-供氣沖程-回充沖程-供氣沖程的八沖程循環(huán)模式工作。
選擇性地，所述冷卻器25也可以設在所述往復連通通道100上。實施例3如圖3所示的三類門熱氣發(fā)動機，其與實施例2的區(qū)別在于:所述附屬往復流通口31處設有對應的附屬往復流通控制門310，所述往復連通通道100上設有回熱器4。所述冷卻器25改為設在所述回熱器4與所述附屬進氣口 31之間的所述往復連通通道100上；所述燃燒室5設在所述回熱器4與所述往復流通口 12之間的所述往復連通通道100內(nèi)。打開所述進氣門110，所述氣缸活塞機構I通過所述進氣口 11吸氣，關閉所述進氣門Iio和所述附屬往復流通控制門310，所述氣缸活塞機構I中的工質(zhì)在所述氣缸活塞機構I和所述往復連通通道100中被壓縮，被壓縮后的工質(zhì)在所述燃燒室5中燃燒膨脹并推動所述氣缸活塞機構I的活塞對外做功，打開所述附屬往復流通控制門310，所述氣缸活塞機構I的活塞上行，將工質(zhì)導入所述附屬氣缸活塞機構3,工質(zhì)在所述氣缸活塞機構I和所述附屬氣缸活塞機構3之間的所述往復連通通道100內(nèi)往復流通至少兩次次，最后從所述附屬氣缸活塞機構3的氣缸上的所述乏氣排出口 32排出。所述乏氣排出口 32排出工質(zhì)時，可以關閉所述附屬往復流通控制門310使所述往復連通通道100內(nèi)保持一定的壓力?？蛇x擇地，所述乏氣排出口 32排出工質(zhì)時，也可打開所述附屬往復流通控制門310使所述往復連通通道100內(nèi)的壓力逐漸下降到環(huán)境壓力?？蛇x擇地，為了滿足不同的要求，可以取消設置在所述附屬氣缸活塞機構3上的冷卻器25。實施例4如圖4所示的三類門熱氣發(fā)動機，其與實施例2的區(qū)別在于:所述往復流通口 12與所述附屬往復流通口 31之間的所述往復連通通道100上設有回熱器4，在所述附屬氣缸活塞機構3的氣缸上和所述回熱器4與所述附屬往復流通口 31之間的所述往復連通通道100上均設有冷卻器25 ;在所述氣缸活塞機構I的氣缸內(nèi)和所述回熱器4與所述往復流通口 12之間的所述往復連通通道100內(nèi)均設有燃燒室5。實施例5如圖5所示的三類門熱氣發(fā)動機，其與實施例2的區(qū)別在于:該發(fā)動機還包括有葉輪壓氣機21和渦輪動力機構22，所述乏氣排出口 32與所述渦輪動力機構22的工質(zhì)入口連通，所述進氣口 11與所述葉輪壓氣機21的工質(zhì)出口連通。所述往復流通口 12與所述附屬往復流通口 31之間的所述往復連通通道100上設有回熱器4，所述燃燒室5設在與所述進氣口 11連通且靠近所述進氣口 11的通道內(nèi)，所述渦輪動力機構22對所述葉輪壓氣機21輸出動力。所述氣缸活塞機構I的氣缸上的所述進氣門110和所述附屬氣缸活塞機構3的氣缸上的所述乏氣門320，均受本發(fā)明發(fā)動機的控制機構控制，經(jīng)所述葉輪壓氣機21壓縮后的工質(zhì)進入所述燃燒室5中參與燃燒生成高溫高壓工質(zhì)，所述高溫高壓工質(zhì)通過所述進氣口 11進入所述氣缸活塞機構I的氣缸中推動活塞對外做功。工質(zhì)在所述往復連通通道100內(nèi)往復流通至少一次后，打開所述乏氣門320排出乏氣。排出的乏氣再推動所述渦輪動力機構22做功。選擇性地,所述渦輪動力機構22也可不對所述葉輪壓氣機21輸出動力而對外輸出動力，或既對所述葉輪壓氣機21輸出動力也對外輸出動力。
實施例6如圖6所示的三類門熱氣發(fā)動機，其與實施例4的區(qū)別在于:取消了設在所述往復連通通道100內(nèi)的燃燒室5和設在所述附屬氣缸活塞機構3上的冷卻器25。所述氣缸活塞機構I和所述附屬氣缸活塞機構3為共軸設置，且為V型布置，具體地，所述氣缸活塞機構I的活塞和所述附屬氣缸活塞機構3的活塞分別經(jīng)連桿與同一曲軸的同一連桿軸頸連接；所述氣缸活塞機構I與所述附屬氣缸活塞機構3為a型設置。選擇性地，所述氣缸活塞機構I的活塞和所述附屬氣缸活塞機構3的活塞也可分別經(jīng)連桿與同一曲軸不同相位的兩個連桿軸頸連接，兩缸的軸線夾角小于90度，以此實現(xiàn)共軸V型設置。在實際使用中所述氣缸活塞機構I與所述附屬氣缸活塞機構3還可以選擇性地采用@型設置。實施例7如圖7所示的三類門熱氣發(fā)動機，其與實施例2的區(qū)別在于:所述附屬往復流通口31處設有對應的附屬往復流通控制門310 ;此外，所述附屬氣缸活塞機構3的氣缸上設有附屬進氣口 33和排氣口 34，所述排氣口 34與所述進氣口 11連通；所述附屬進氣口 33處設有對應的附屬進氣門，所述排氣口 34處設有對應的排氣門。所述往復流通口 12與所述附屬往復流通口 31之間的所述往復連通通道100上設有回熱器4。進入所述氣缸活塞機構I的氣缸內(nèi)的工質(zhì)先在所述附屬氣缸活塞機構3的氣缸內(nèi)被壓縮，被壓縮后的工質(zhì)經(jīng)所述排氣口 34和所述進氣口 11送至所述氣缸活塞機構I的氣缸內(nèi)，關閉所述進氣門110，壓縮工質(zhì)在所述燃燒室5內(nèi)燃燒膨脹推動所述氣缸活塞機構I的活塞對外做功，做功后的工質(zhì)在所述氣缸活塞機構I和所述附屬氣缸活塞機構3之間的所述往復連通通道100內(nèi)往復流通至少一次，在此期間，只保持所述附屬往復流通控制門310開啟；然后打開所述乏氣門32將乏氣排出，在乏氣排出的過程中，所述附屬往復流通控制門310可以打開也可以關閉；乏氣排出后關閉所述附屬氣缸活塞機構3上的所述乏氣門320、所述附屬往復流通控制門310和所述排氣門，打開所述附屬進氣口 33處對應設置的所述附屬進氣門，氣體工質(zhì)被吸入，進入下一個循環(huán)，周而復始。實施例8如圖8所示的三類門熱氣發(fā)動機，其與實施例3的區(qū)別在于:所述氣缸活塞機構I設有兩個，兩個所述氣缸活塞機構I的氣缸內(nèi)均設有燃燒室5，兩個所述氣缸活塞機構I的氣缸上的所述往復流通口 12各自經(jīng)所述回熱器4與所述附屬氣缸活塞機構3的氣缸上的所述附屬往復流通口 31連通。所述冷卻器25設置在所述附屬氣缸活塞機構3上。選擇性地，可以根據(jù)需要類似地增加所述氣缸活塞機構I的數(shù)量，如三個所述氣缸活塞機構I的氣缸上的所述往復流通口 12分別經(jīng)所述回熱器4與一個所述附屬氣缸活塞機構3的所述附屬往復流通口 31連通；所述燃燒室5可以設在所述氣缸活塞機構I的氣缸內(nèi)，或設在所述往復流通口 12與所述回熱器4之間的所述往復連通通道100內(nèi)，或在以上兩處同時設置。實施例9如圖9所示的三類門熱氣發(fā)動機，其與實施例2的區(qū)別在于:所述三類門熱氣發(fā)動機還包括渦輪動力機構22和葉輪壓氣機21，所述乏氣排出口 32與所述渦輪動力機構22的工質(zhì)入口連通，所述渦輪動力機構22的工質(zhì)出口經(jīng)冷卻器3與所述葉輪壓氣機21的工質(zhì)入口連通，所述葉輪壓氣機21的工質(zhì)出口經(jīng)控制閥與所述工質(zhì)通道連通，具體是與所述往復流通口 12和所述附屬往復流通口 31之間的所述往復連通通道100連通；所述渦輪動力機構22和所述葉輪壓氣機21之間的所述冷卻器25與所述葉輪壓氣機22的工質(zhì)入口之間的通道上設有工質(zhì)導出口 23。選擇性地，所述工質(zhì)導出口 23也可設在所述渦輪動力機構22的工質(zhì)出口與所述冷卻器25之間的通道上。所述葉輪壓氣機21的工質(zhì)出口與設在所述工質(zhì)通道上的連通口連通，該連通口不與所述乏氣排出口 32重合，可設在所述工質(zhì)通道上的不同位置，如所述氣缸活塞機構I的氣缸上、所述氣缸活塞機構3的氣缸上、所述往復連通通道100上等。實施例10如圖10所示的三類門熱氣發(fā)動機，其與實施例3的區(qū)別在于:所述氣缸活塞機構I設為活塞液體機構，所述活塞液體機構包括氣液缸111和氣液隔離機構112，所述氣液隔離結構112設在所述氣液缸111內(nèi)，所述氣液缸111的液體端的液體流通口 113與液壓動力機構96的工質(zhì)入口連通，所述液壓動力機構96的工質(zhì)出口與液體回送系統(tǒng)97的工質(zhì)入口連通，所述液體回送系統(tǒng)97的工質(zhì)出口與所述氣液缸111的液體端的另一所述液體流通口 113連通；所述液壓動力機構96和所述液體回送系統(tǒng)97受過程控制機構99控制。所述氣液缸111內(nèi)的氣體工質(zhì)對所述氣液隔離結構112的壓力大于所述氣液缸111內(nèi)的液體和所述氣液隔離結構112做往復運動時的慣性力之和。選擇性地，所述氣液隔離結構112可以設為板狀結構、膜結構或活塞狀結構等。優(yōu)選地，所述氣液隔離結構112和所述氣液缸111密封滑動配合。兩個所述液體流通口 113可一體化設置。本實施例中，所述活塞液體機構可以有效地控制所述氣液隔離結構112和液體(相當于傳統(tǒng)氣缸活塞機構中的活塞)的運動，便于實現(xiàn)本發(fā)明所要求的工作循環(huán)。實施例11如圖11所示的三類門熱氣發(fā)動機，其與實施例6的區(qū)別在于:所述三類門熱氣發(fā)動機還包括低溫冷源8，所述低溫冷源8是存儲有液氮的儲罐，儲罐中的液氮用于冷卻所述附屬氣缸活塞機構3中的工質(zhì)。本實施例中，所述低溫冷源8直接與所述附屬氣缸活塞機構3的氣缸連通，在所述低溫冷源8與所述附屬氣缸活塞機構3的氣缸之間的連通通道上設有控制閥?？蛇x擇地，所述低溫冷源8還可以經(jīng)換熱裝置使所述低溫物質(zhì)與所述工質(zhì)通道內(nèi)的工質(zhì)換熱；所述低溫冷源8中的所述低溫物質(zhì)發(fā)揮冷卻作用后，既可導入所述工質(zhì)通道中，作為三類門熱氣發(fā)動機的循環(huán)工質(zhì)，也可不導入所述工質(zhì)通道中。實施例12如圖12所示的三類門熱氣發(fā)動機，其與實施例4的區(qū)別在于:所述三類門熱氣發(fā)動機還包括四類門氣缸活塞機構200，所述四類門氣缸活塞機構200的氣缸上的進氣口設為壓氣進氣口 201，所述四類門氣缸活塞機構200的氣缸上的排氣口設為附屬排氣口 202，所述四類門氣缸活塞機構200的供氣口 203與所述進氣口 11連通，所述四類門氣缸活塞機構200的回充口 204與所述乏氣排出口 32連通。在所述壓氣進氣口 201、所述附屬排氣口202、所述供氣口 203和所述回充口 204處依次對應設置進氣門、排氣門、供氣門和回充門。
本實施例中，進入所述氣缸活塞機構I的氣缸內(nèi)的工質(zhì)先在所述四類門氣缸活塞機構200內(nèi)被壓縮；從所述乏氣排出口 32排出的乏氣再進入所述四類門氣缸活塞機構200內(nèi)做功，然后再經(jīng)所述附屬排氣口 202排出。上述實施例中的所述氣缸活塞機構I或/和所述附屬氣缸活塞機構3均可采用如圖13所示的對置活塞氣缸機構來代替。可選擇地，以上實施例中的所述附屬氣缸活塞機構3也可以設為所述活塞液體機構。以上實施例中，所述燃燒室5排出的物質(zhì)的質(zhì)量流量大于從所述工質(zhì)通道外導入所述燃燒室5的物質(zhì)的質(zhì)量流量。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例，根據(jù)本領域的公知技術和本發(fā)明所公開的技術方案，可以推導出或聯(lián)想出許多變型方案，所有這些變型方案，也應認為是本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種三類門熱氣發(fā)動機，包括氣缸活塞機構(1)，所述氣缸活塞機構(I)的氣缸上設有進氣口( 11)和往復流通口( 12 )，所述進氣口( 11)處設有對應的進氣門(110 )，其特征在于:所述三類門熱氣發(fā)動機還包括附屬氣缸活塞機構(3)，在所述附屬氣缸活塞機構(3)的氣缸上設附屬往復流通口(31)和乏氣排出口(32)，在所述乏氣排出口(32)處設對應的乏氣門(320);所述往復流通口(12)經(jīng)往復連通通道(100)與所述附屬往復流通口(31)連通；在所述氣缸活塞機構(I)的氣缸內(nèi)和/或在所述往復連通通道(100)內(nèi)和/或在與所述進氣口(11)連通的通道內(nèi)設燃燒室(5)。
2.按權利要求1所述三類門熱氣發(fā)動機，其特征在于:在所述燃燒室(5)與所述附屬往復流通口(31)之間的所述往復連通通道(100)上和/或在所述附屬氣缸活塞機構(3)的氣缸上設冷卻器(25)。
3.按權利要求1所述三類門熱氣發(fā)動機，其特征在于:在所述燃燒室(5)與所述附屬往復流通口(31)之間的所述往復連通通道(100)內(nèi)設回熱器(4)。
4.按權利要求3所述三類門熱氣發(fā)動機，其特征在于:在所述回熱器(4)與所述附屬往復流通口(31)之間的所述往復連通通道(100)上和/或在所述附屬氣缸活塞機構(3)的氣缸上設冷卻器(25)。
5.按權利要求1至4中任一項所述三類門熱氣發(fā)動機，其特征在于:在所述附屬往復流通口(31)處設對應的附屬往復流通控制門(310)。
6.按權利要求1至4中任一項所述三類門熱氣發(fā)動機，其特征在于:所述進氣門(110)和所述乏氣門(320)受使所述氣缸活塞機構(I)按照吸氣沖程-壓縮沖程-燃燒膨脹做功沖程-供氣沖程-回充沖程-供氣沖程的循環(huán)模式工作的控制機構控制。
7.按權利要求1至4中任一項所述三類門熱氣發(fā)動機，其特征在于:所述進氣門(110)和所述乏氣門(320)受使所述氣缸活塞機構(I)按照吸氣沖程-壓縮沖程-燃燒膨脹做功沖程-供氣沖程-回充沖程-供氣沖程-回充沖程-供氣沖程的循環(huán)模式工作的控制機構控制。
8.按權利要求1至4中任一項所述三類門熱氣發(fā)動機，其特征在于:所述三類門熱氣發(fā)動機還包括渦輪動力機構(22)和葉輪壓氣機(21)，所述乏氣排出口(32)與所述渦輪動力機構(22)的氣體入口連通，所述進氣口(11)與所述葉輪壓氣機(21)的氣體出口連通。
9.按權利要求8所述三類門熱氣發(fā)動機，其特征在于:所述渦輪動力機構(22)對所述葉輪壓氣機(21)輸出動力。
10.按權利要求1至4中任一項所述三類門熱氣發(fā)動機，其特征在于:在所述附屬氣缸活塞機構(3)的氣缸上設附屬進氣口(33)和排氣口(34)，所述排氣口(34)與所述進氣口(11)連通；在所述附屬進氣口(33)處設對應的附屬進氣門，在所述排氣口(34)處設對應的排氣門。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三類門熱氣發(fā)動機，包括氣缸活塞機構，所述氣缸活塞機構的氣缸上設有進氣口和往復流通口，所述進氣口處設有對應的進氣門，所述三類門熱氣發(fā)動機還包括附屬氣缸活塞機構，在所述附屬氣缸活塞機構的氣缸上設附屬往復流通口和乏氣排出口，在所述乏氣排出口處設對應的乏氣門；所述往復流通口經(jīng)往復連通通道與所述附屬往復流通口連通；在所述氣缸活塞機構的氣缸內(nèi)和/或在所述往復連通通道內(nèi)和/或在與所述進氣口連通的通道內(nèi)設燃燒室。本發(fā)明公開的三類門熱氣發(fā)動機實現(xiàn)了對燃燒爆炸一次做功后的工質(zhì)中的熱量的進一步利用，從而使得發(fā)動機的熱效率得以提高，有利于節(jié)約能源，且結構簡單、實用性強，具有廣闊的應用前景。
文檔編號F02G1/044GK103089485SQ201310031180
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月28日 優(yōu)先權日2012年1月29日
發(fā)明者靳北彪 申請人:摩爾動力(北京)技術股份有限公司