專利名稱：梯級能源發(fā)動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機(jī)。
技術(shù)背景傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的余熱沒有得到很好的利用，因而 內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的熱效率很難得到根本性提高。近年來，雖有大量利用內(nèi)燃發(fā)動機(jī)余熱的嘗試，比如美國專利發(fā)布號為US 200的005696A1和英國專利發(fā)布號為 GB1539166,但因內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的特殊性，這些嘗試均存在設(shè)備繁多，效率低， 難于實(shí)際應(yīng)用的缺點(diǎn)。所以急需發(fā)明一種設(shè)備簡單、能夠高效利用內(nèi)燃發(fā)動機(jī) 余熱產(chǎn)生動力的新的發(fā)動機(jī)技術(shù)。進(jìn)而提高內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的效率減少燃料消耗， 抑制全球變暖趨勢。 發(fā)明內(nèi)容為從根本上解決傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)熱效率低的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種梯級 能源發(fā)動機(jī)，包括內(nèi)燃發(fā)動機(jī)、氣缸套、氣缸蓋、排氣熱交換器、外燃機(jī)和冷 凝冷卻器，所述氣缸套外圍設(shè)有缸套工質(zhì)承壓通道，所述氣缸蓋內(nèi)設(shè)有缸蓋工 質(zhì)承壓通道，所述缸套工質(zhì)承壓通道的工質(zhì)出口和所述缸蓋工質(zhì)承壓通道的工 質(zhì)入口連通或經(jīng)液相工質(zhì)增壓泵連通，所述缸蓋工質(zhì)承壓通道的工質(zhì)出口與所 述排氣熱交換器的被加熱工質(zhì)入口連通，所述排氣熱交換器的被加熱工質(zhì)出口 與所述外燃機(jī)的工質(zhì)入口連通，所述外燃機(jī)的工質(zhì)出口與所述冷凝冷卻器的工 質(zhì)入口連通，所述冷凝冷卻器的工質(zhì)出口與所述缸套工質(zhì)承壓通道的工質(zhì)入口 連通或經(jīng)冷凝液相工質(zhì)加壓泵連通。所述冷凝液相工質(zhì)加壓泵和所述液相加壓 泵可單獨(dú)設(shè)置或同時設(shè)置。在不設(shè)液相工質(zhì)加壓泵時所述外燃機(jī)工質(zhì)入口處的工質(zhì)壓強(qiáng)、所述缸蓋工質(zhì)承壓通道的工質(zhì)壓強(qiáng)和所述缸套工質(zhì)承壓通道的工質(zhì) 壓強(qiáng)依次增大。在設(shè)置液相工質(zhì)加壓泵時所述缸蓋工質(zhì)承壓通道的工質(zhì)壓強(qiáng)大i于所述外燃機(jī)工質(zhì)入口處的壓強(qiáng)，而所述缸套o(hù):質(zhì)承壓通道的工質(zhì)壓強(qiáng)可小于所述缸蓋工質(zhì)承壓通道的工質(zhì)壓強(qiáng)。所述外燃機(jī)可設(shè)為汽輪機(jī)、渦輪機(jī)或蒸汽機(jī)式的動力源。 所述缸套工質(zhì)承壓通道和所述缸蓋工質(zhì)承壓通道可單獨(dú)或同時設(shè)為承壓腔式。所述缸套工質(zhì)承壓通道和所述缸蓋工質(zhì)承壓通道可單獨(dú)或同時設(shè)為復(fù)數(shù) 個承壓管式。所述冷凝液相工質(zhì)加壓泵的工質(zhì)出口與所述缸套工質(zhì)承壓通道在所述氣 缸套上端(靠近燃燒室)的工質(zhì)入口連通，所述缸套工質(zhì)承壓通道在所述氣缸 套下端的工質(zhì)出口 (遠(yuǎn)離燃燒室)與所述缸蓋工質(zhì)承壓通道的入口連通，所述 缸蓋工質(zhì)承壓通道的工質(zhì)出口與所述排氣熱交換器的被加熱工質(zhì)入口連通。所述缸套工質(zhì)承壓通道的工質(zhì)出口經(jīng)控制閥與所述缸蓋工質(zhì)承壓通道的 工質(zhì)入口連通。所述內(nèi)燃發(fā)動機(jī)和系統(tǒng)的其它部位的外圍可全部或部分增設(shè)保溫層，以進(jìn) 一步提高發(fā)動機(jī)的熱效率。本發(fā)明結(jié)合內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)將燃燒室以外的熱系統(tǒng)(即余熱系統(tǒng))按能 源品位分為復(fù)數(shù)個梯級能源區(qū)。為了便于理解，現(xiàn)以三個梯級能源區(qū)為例進(jìn)行說明。梯級能源區(qū)A是內(nèi)燃發(fā)動機(jī)氣缸套周圍的區(qū)域(即所述缸套工質(zhì)承壓通道)，這個區(qū)域由于氣缸套和活塞的高速相對運(yùn)動，要求較高的散熱降溫條件，即工質(zhì)的溫度要相對低一些，因而，在本發(fā)明中將梯級能源區(qū)A作為工質(zhì)的加 熱區(qū)，在此區(qū)內(nèi)將工質(zhì)加熱升溫；梯級能源區(qū)B是內(nèi)燃發(fā)動機(jī)燃燒室上方氣蓋內(nèi)的區(qū)域(即所述缸蓋工質(zhì)承壓通道)，這個區(qū)域內(nèi)除可耐高溫的氣門的運(yùn) 動及其與氣門座的撞擊外，沒有其它高速相對運(yùn)動，因此，散熱降溫條件可以相對差一些，即工質(zhì)的溫度可以高一些，因而，在本發(fā)明中將梯級能源區(qū)B作 為工質(zhì)的氣化區(qū)，在此區(qū)內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的氣相工質(zhì)；梯級能源區(qū)C是發(fā)動機(jī) 排氣道上熱交換器(即所述排氣熱交換器)，這個區(qū)域沒有運(yùn)動部件，即不需 要特別散熱降溫條件，也就是說工質(zhì)的溫度可以很高，故在本發(fā)明中將此區(qū)作 為工質(zhì)過熱區(qū)，在此區(qū)內(nèi)使工質(zhì)過熱，進(jìn)一步提高工質(zhì)的溫度，進(jìn)而提高工質(zhì) 循環(huán)做功的效率。本發(fā)明中的工質(zhì)可以是水或其它類型的工質(zhì)，例如氨、醇類、醚類、垸 類、以及其它類型的工質(zhì)，只要根據(jù)發(fā)動機(jī)的散熱降溫條件和系統(tǒng)的承壓能力 等進(jìn)行選擇即可。通過本發(fā)明中的的三個梯級能源區(qū)A、 B和C的工質(zhì)通道，可直接或經(jīng)控 制閥門連通。通過選擇不同工質(zhì)在滿足氣缸套的散熱降溫條件下，依據(jù)工質(zhì)的 熱力學(xué)性質(zhì)(熱容、氣化熱、蒸汽壓溫度曲線等)，可以將梯級能源區(qū)A和梯 級能源區(qū)B部分或全部融合形成一個或多個新的梯級能源區(qū)。然而，梯級能源 區(qū)C可部分不應(yīng)全部與梯級能源區(qū)B融合，因?yàn)槿绻咳诤蟿t將沒有工質(zhì)過 熱區(qū)，因而會降低氣相工質(zhì)的溫度，從而降低工質(zhì)循環(huán)做功效率。根據(jù)內(nèi)燃發(fā) 動機(jī)的類型、工作條件(即不同梯級能源區(qū)的溫度及傳熱量)以及所用工質(zhì)的 性質(zhì)，可以進(jìn)行所有梯級能源區(qū)的熱平衡計算或?qū)嶒?yàn)，根據(jù)計算或?qū)嶒?yàn)結(jié)果可 以確定工質(zhì)的流量以及不同梯級能源區(qū)的融合率。本發(fā)明中，不同梯級能源區(qū)的工質(zhì)溫度可以相差很大，但在不設(shè)置所述液 相工質(zhì)加壓泵時，所有梯級能源區(qū)的工質(zhì)壓強(qiáng)按工質(zhì)流向的相反方向依次增 加。如果所述缸套工質(zhì)增壓通道的承壓能力較低，可通過設(shè)置所述液相加壓泵，減少所述缸套承壓工質(zhì)內(nèi)的工質(zhì)壓強(qiáng)。由于冷凝液相工質(zhì)加壓泵和液相工質(zhì)加 壓泵的單獨(dú)或同時設(shè)置，似及工質(zhì)承壓通道的設(shè)置，使得工質(zhì)在高壓下氣化， 因而消除了工質(zhì)氣化區(qū)和工質(zhì)過熱區(qū)之間設(shè)置氣相工質(zhì)泵的必要性，這樣可以 有效減少泵送氣相工質(zhì)所需的大量機(jī)械功，從而大大提高系統(tǒng)的效率。排氣熱 交換器設(shè)為對流式，進(jìn)而提高過熱工質(zhì)的溫度及循環(huán)做功效率。為確保靠近燃燒室的缸套的冷卻強(qiáng)度，可使液相工質(zhì)首先進(jìn)入此處的缸套 工質(zhì)承壓通道后，自上而下流動，最后由下端出口流向所述缸蓋工質(zhì)承壓通道。本發(fā)明中的外燃機(jī)可以是汽輪機(jī)、蒸汽機(jī)或渦輪機(jī)等，產(chǎn)生的動力可用作 發(fā)電、增壓等，也可與內(nèi)燃發(fā)動機(jī)合成一個動力輸出源。為減少熱量損失可通 過對內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的外部和系統(tǒng)其它部位增設(shè)保溫層，進(jìn)而提高余熱回收率。由于工質(zhì)應(yīng)處于密閉循環(huán)做功過程，所以通過每一個梯級能源區(qū)的工質(zhì)質(zhì) 量(摩爾數(shù))是相同的。據(jù)此，通過熱平衡計算或?qū)嶒?yàn)可決定不同梯級能源區(qū) 的傳熱面積和傳熱條件。 本發(fā)明的原理發(fā)動機(jī)余熱利用效率，產(chǎn)生盡可能多的有用功，本發(fā)明根據(jù)發(fā)動機(jī)的工作條件 將內(nèi)燃發(fā)動機(jī)余熱系統(tǒng)按能量品位分成復(fù)數(shù)個能源區(qū)，即復(fù)數(shù)個梯級能源區(qū)。 每個梯級能源區(qū)的能量品位不同，按能量品位高低，使工質(zhì)由低品位區(qū)至高品 位區(qū)依次流經(jīng)每個梯級能源區(qū)，在外燃機(jī)處作功后經(jīng)冷凝冷卻器再進(jìn)入低品位 梯級能源區(qū)。根據(jù)不同梯級能源區(qū)的能量品位，分別用于工質(zhì)的加熱、氣化、 過熱過程。通過設(shè)定復(fù)數(shù)個梯級能源區(qū)既可滿足內(nèi)燃發(fā)動機(jī)不同部位的散熱降 溫條件(例如，缸套周圍工質(zhì)的溫度應(yīng)較低，缸蓋處工質(zhì)的溫度可較高，而排 氣熱交換器內(nèi)的工質(zhì)溫度可更高)，又可充分利用不同品位的余熱形成高溫氣相工質(zhì)，進(jìn)而大幅度提高工質(zhì)的做功能力。由于冷凝液相工質(zhì)加壓泵和液相工 質(zhì)加壓泵的單獨(dú)或同時設(shè)置，以及工質(zhì)承壓通道的設(shè)置，使得工質(zhì)在高壓下氣 化，因而消除了工質(zhì)氣化區(qū)和工質(zhì)過熱區(qū)之間設(shè)置氣相工質(zhì)泵的必要性，這樣 可以有效減少泵送氣相工質(zhì)所需的大量機(jī)械功，從而大大提高系統(tǒng)的效率。 本發(fā)明有以下積極有益的效果能充分利用發(fā)動機(jī)氣缸套周圍的余熱以及發(fā)動 機(jī)排氣中的余熱，從而提高了發(fā)動機(jī)的熱效率，減少了燃油的消耗，降低了發(fā) 動機(jī)的使用成本。


圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖； 圖2是本發(fā)明另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖； 圖3是本發(fā)明第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖； 圖4是本發(fā)明第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖； 圖5是本發(fā)明承壓流體通道的另一結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為圖5的M—M剖視； 圖7為圖5的N—N剖視； 圖8是本發(fā)明五實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖； 圖9是本發(fā)明六實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖；具體實(shí)施方式
附圖編號l.內(nèi)燃發(fā)動機(jī)5.外燃機(jī)7.冷凝冷卻器!.缸套L氣缸蓋 4.排氣熱交換器6.冷凝液相工質(zhì)加壓泵 61.液相工質(zhì)加壓泵 8.缸套工質(zhì)承壓通道 9.缸蓋工質(zhì)承壓通道IO.升溫后的液相工質(zhì)IOI.氣相工質(zhì) 102.過熱氣相工質(zhì) 103.低壓氣相工質(zhì) 104.冷凝冷卻后的液相工質(zhì) ll.控制閥 SS.外燃機(jī)動力輸出軸請參照圖l、圖2、圖3和圖4所示的一種梯級能源發(fā)動機(jī)，包括內(nèi)燃發(fā) 動機(jī)1、氣缸套2、氣缸蓋3、排氣熱交換器4、外燃機(jī)5和冷凝冷卻器7，所 述氣缸套2外圍設(shè)有缸套工質(zhì)承壓通道8，所述氣缸蓋3內(nèi)設(shè)有缸蓋工質(zhì)承壓 通道9，所述缸套工質(zhì)承壓通道8的工質(zhì)出口和所述缸蓋工質(zhì)承壓通道9的工 質(zhì)入口連通或經(jīng)液相工質(zhì)增壓泵61連通，所述缸蓋工質(zhì)承壓通道9的工質(zhì)出 口與所述排氣熱交換器4的被加熱工質(zhì)入口連通，所述排氣熱交換器4的被加 熱工質(zhì)出口與所述外燃機(jī)5的工質(zhì)入口連通，所述外燃機(jī)5的工質(zhì)出口與所述 冷凝冷卻器7的工質(zhì)入口連通，所述冷凝冷卻器7的工質(zhì)出口與所述缸套工質(zhì) 承壓通道8的工質(zhì)入口連通或經(jīng)冷凝液相工質(zhì)加壓泵6連通，所述冷凝液相工 質(zhì)加壓泵6和所述液相加壓泵61可單獨(dú)設(shè)置或共同設(shè)置，在不設(shè)液相工質(zhì)加 壓泵61時所述外燃機(jī)5工質(zhì)入口處的工質(zhì)壓強(qiáng)、所述缸蓋工質(zhì)承壓通道9的 工質(zhì)壓強(qiáng)和所述缸套工質(zhì)承壓通道8的工質(zhì)壓強(qiáng)依次增大，在設(shè)置液相工質(zhì)加 壓泵61時所述缸蓋工質(zhì)承壓通道9的工質(zhì)壓強(qiáng)大于所述外燃機(jī)5工質(zhì)入口處 的壓強(qiáng)，而所述缸套工質(zhì)承壓通道8的工質(zhì)壓強(qiáng)可小于所述缸蓋工質(zhì)承壓通道 9的工質(zhì)壓強(qiáng)。經(jīng)冷凝冷卻后的液相工質(zhì)104流入或經(jīng)冷凝液相工質(zhì)加壓泵6泵入缸套工 質(zhì)承壓通道8,升溫后的液相工質(zhì)10流入或經(jīng)液相工質(zhì)加壓泵61泵入缸蓋工 質(zhì)承壓通道9繼續(xù)升溫，進(jìn)一升溫并氣化為氣相工質(zhì)101，氣相工質(zhì)101流入 排氣熱交換器4進(jìn)一步升溫形成過熱氣相工質(zhì)102,過熱氣相工質(zhì)102推動外 燃機(jī)5作功，由外燃機(jī)動力輸出軸55對外輸出動力，經(jīng)過外燃機(jī)5的低壓氣相工質(zhì)流入冷凝冷卻器形成冷凝冷卻后的液相工質(zhì)104。 所述外燃機(jī)5可設(shè)為汽輪機(jī)、渦輪機(jī)或蒸汽機(jī)式。請參照圖1所示的梯級能源發(fā)動機(jī)，所述缸套工質(zhì)承壓通道8和所述缸蓋 工質(zhì)承壓通道9可單獨(dú)或一同設(shè)為承壓腔式。請參照圖5、圖6、圖7和圖9所示的梯級能源發(fā)動機(jī)，所述缸套工質(zhì)承 壓通道8和所述缸蓋工質(zhì)承壓通道9可單獨(dú)或一同設(shè)為復(fù)數(shù)個承壓管式，管子 可承受較高的內(nèi)壓，復(fù)數(shù)個承壓管相互貫通，既可達(dá)到傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)腔式冷卻結(jié) 構(gòu)的冷卻效果，同時又能承受更高的工質(zhì)壓強(qiáng)，使發(fā)動機(jī)運(yùn)行更加安全、可靠。請參照圖9所示的梯級能源發(fā)動機(jī)，所述冷凝液相工質(zhì)加壓泵6的工質(zhì)出 口與所述缸套工質(zhì)承壓通道8在所述氣缸套2上端(靠近燃燒室)的工質(zhì)入口 連通，所述缸套工質(zhì)承壓通道8在所述氣缸套2下端的工質(zhì)出口 (遠(yuǎn)離燃燒室) 與所述缸蓋工質(zhì)承壓通道9的入口連通，所述缸蓋工質(zhì)承壓通道9的工質(zhì)出口 與所述排氣熱交換器4的被加熱工質(zhì)入口連通。請參照圖8所示的梯級能源發(fā)動機(jī)，所述缸套工質(zhì)承壓通道8的工質(zhì)出口 經(jīng)控制閥11與所述缸蓋工質(zhì)承壓通道9的工質(zhì)入口連通。實(shí)施時，所述內(nèi)燃發(fā)動機(jī)1和系統(tǒng)的其它部位的外圍可全部或部分增設(shè)保 溫層，可進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)的熱效率。
權(quán)利要求
1.一種梯級能源發(fā)動機(jī)，包括內(nèi)燃發(fā)動機(jī)(1)、氣缸套(2)、氣缸蓋(3)、排氣熱交換器(4)、外燃機(jī)(5)和冷凝冷卻器(7)，其特征在于所述氣缸套(2)外圍設(shè)有缸套工質(zhì)承壓通道(8)，所述氣缸蓋(3)內(nèi)設(shè)有缸蓋工質(zhì)承壓通道(9)，所述缸套工質(zhì)承壓通道(8)的工質(zhì)出口和所述缸蓋工質(zhì)承壓通道(9)的工質(zhì)入口連通或經(jīng)液相工質(zhì)增壓泵(61)連通，所述缸蓋工質(zhì)承壓通道(9)的工質(zhì)出口與所述排氣熱交換器(4)的被加熱工質(zhì)入口連通，所述排氣熱交換器(4)的被加熱工質(zhì)出口與所述外燃機(jī)(5)的工質(zhì)入口連通，所述外燃機(jī)(5)的工質(zhì)出口與所述冷凝冷卻器(7)的工質(zhì)入口連通，所述冷凝冷卻器(7)的工質(zhì)出口與所述缸套工質(zhì)承壓通道(8)的工質(zhì)入口連通或經(jīng)冷凝液相工質(zhì)加壓泵(6)連通，所述冷凝液相工質(zhì)加壓泵(6)和所述液相加壓泵(61)可單獨(dú)設(shè)置或同時設(shè)置，在不設(shè)液相工質(zhì)加壓泵(61)時所述外燃機(jī)(5)工質(zhì)入口處的工質(zhì)壓強(qiáng)、所述缸蓋工質(zhì)承壓通道(9)的工質(zhì)壓強(qiáng)和所述缸套工質(zhì)承壓通道(8)的工質(zhì)壓強(qiáng)依次增大，在設(shè)置液相工質(zhì)加壓泵(61)時所述缸蓋工質(zhì)承壓通道(9)的工質(zhì)壓強(qiáng)大于所述外燃機(jī)(5)工質(zhì)入口處的壓強(qiáng)而所述缸套工質(zhì)承壓通道(8)的工質(zhì)壓強(qiáng)可小于所述缸蓋工質(zhì)承壓通道(9)的工質(zhì)壓強(qiáng)，所述外燃機(jī)(5)可設(shè)為汽輪機(jī)、渦輪機(jī)或蒸汽機(jī)式。
2. 如權(quán)利要求1所述梯級能源發(fā)動機(jī)，其特征在于所述缸套工質(zhì)承壓通 道(8)和所述缸蓋工質(zhì)承壓通道(9)可單獨(dú)或同時設(shè)為承壓腔式。
3. 如權(quán)利要求1所述梯級能源發(fā)動機(jī)，其特征在于所述缸套工質(zhì)承壓通 道(8)和所述缸蓋工質(zhì)承壓通道(9)可單獨(dú)或同時設(shè)為復(fù)數(shù)個承壓管式。
4. 如權(quán)利要求1所述梯級能源發(fā)動機(jī)，其特征在于所述冷凝液相工質(zhì)加 壓泵(6)的工質(zhì)出口與所述缸套工質(zhì)承壓通道(8)在所述氣缸套(2)上端(靠近燃燒室)的工質(zhì)入口連通，所述缸套工質(zhì)承壓通道(8)在所述氣缸套(2)下端的工質(zhì)出口 (遠(yuǎn)離燃燒室)與所述缸蓋工質(zhì)承壓通道(9)的入口連 通，所述缸蓋工質(zhì)承壓通道(9)的工質(zhì)出口與所述排氣熱交換器(4)的被加 熱工質(zhì)入口連通。
5. 如權(quán)利要求1或4所述梯級能源發(fā)動機(jī)，其特征在于所述缸套工質(zhì)承 壓通道(8)的工質(zhì)出口經(jīng)控制閥與所述缸蓋工質(zhì)承壓通道(9)的工質(zhì)入口連 通。
6. 如權(quán)利要求1所述梯級能源發(fā)動機(jī)，其特征在于所述內(nèi)燃發(fā)動機(jī)(1) 和系統(tǒng)的其它部位的外圍可全部或部分增設(shè)保溫層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種梯級能源發(fā)動機(jī)，包括內(nèi)燃發(fā)動機(jī)、排氣熱交換器、外燃機(jī)和冷凝冷卻器，在氣缸套外圍設(shè)有缸套工質(zhì)承壓通道，在氣缸蓋內(nèi)設(shè)有缸蓋工質(zhì)承壓通道，缸套工質(zhì)承壓通道的工質(zhì)出口或經(jīng)液相工質(zhì)加壓泵和缸蓋工質(zhì)承壓通道的工質(zhì)入口連通，缸蓋工質(zhì)承壓通道的工質(zhì)出口與排氣熱交換器的被加熱工質(zhì)入口連通，排氣熱交換器的被加熱工質(zhì)出口與所述外燃機(jī)的工質(zhì)入口連通，外燃機(jī)的工質(zhì)出口與冷凝冷卻器的工質(zhì)入口連通，冷凝冷卻器的工質(zhì)出口與缸套工質(zhì)承壓通道的工質(zhì)入口連通或經(jīng)冷凝液相工質(zhì)加壓泵連通，冷凝液相工質(zhì)加壓泵和液相加壓泵可單獨(dú)設(shè)置或同時設(shè)置。本發(fā)明能充分利用發(fā)動機(jī)氣缸套周圍的余熱以及發(fā)動機(jī)排氣中的余熱。
文檔編號F01N5/00GK101328816SQ20081013500
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者靳北彪 申請人:靳北彪