專利名稱：熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱力發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，特別是效率提高的正排量?jī)?nèi)燃機(jī)的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機(jī)是一種工作介質(zhì)為氣體的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，這種氣體通常為空氣或混合了排出燃燒產(chǎn)物的空氣，其中含有一定比例的氧氣，而熱量將在循環(huán)期間通過(guò)工作流體內(nèi)的燃燒循環(huán)直接地累加到空氣上。無(wú)法通過(guò)接入電網(wǎng)得到滿足的機(jī)械功率要求將大部分由內(nèi)燃機(jī)來(lái)滿足。對(duì)交通功率方面的要求包括了眾所周知的汽車、重載運(yùn)輸車輛、鐵路、航運(yùn)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)，而且也包括了許多其它應(yīng)用，如各種規(guī)格的發(fā)電裝置，以及應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、建筑業(yè)和土木工程，以及水、石油和天然氣的泵送中的動(dòng)力工具。發(fā)動(dòng)機(jī)的范圍包括，從僅幾克重開(kāi)發(fā)用于在一些 應(yīng)用中取代電池的微型機(jī)械規(guī)格等級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，直至重達(dá)2300公噸的航海推進(jìn)裝置。石油這一化石燃料的世界供應(yīng)量被認(rèn)為已經(jīng)接近頂峰，之后有可能出現(xiàn)針對(duì)日漸縮減的石油供應(yīng)量的劇烈競(jìng)爭(zhēng)。目前已經(jīng)推出或正在開(kāi)發(fā)一系列的生物燃料，但是其中一些燃料將與農(nóng)作物展開(kāi)對(duì)于農(nóng)業(yè)土地占用面積的競(jìng)爭(zhēng)。此外，目前已經(jīng)廣泛認(rèn)可，進(jìn)入大氣層的碳排放物對(duì)于環(huán)境的影響是氣候變遷的原因之一。因此，在這些關(guān)注要素組合的壓力之下，對(duì)于提升內(nèi)燃機(jī)效率存在著很大的興趣。眾所周知，在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，目前的技術(shù)僅能將燃料內(nèi)可用能量的三分之一左右轉(zhuǎn)換成可用功。對(duì)于其余的三分之二，在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中，約三分之一為工作循環(huán)損失，這些損失以廢氣熱量的形式離開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)。另外三分之一為冷卻損失，也就是從工作氣體傳導(dǎo)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)材料之內(nèi)的熱量，這部分熱量隨后在工作循環(huán)中損失，而且這部分熱量必須通過(guò)散熱翅片或注入液體的散熱器進(jìn)行耗散，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)材料以及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的工作過(guò)程正常進(jìn)行。因此，這一領(lǐng)域許多研究者都以提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率為目標(biāo)，而且循環(huán)損失和冷卻損失領(lǐng)域也都成為了對(duì)現(xiàn)有技術(shù)做出改進(jìn)的目標(biāo)。本發(fā)明在這兩個(gè)領(lǐng)域都做出了顯著改進(jìn)。1824年，Sadi Carnot表明了任何熱力發(fā)動(dòng)機(jī)都不能達(dá)到100%的效率。所有熱力發(fā)動(dòng)機(jī)都在較高的絕對(duì)溫度Th下接受了熱量，并在較低的絕對(duì)溫度T。下排出熱量。著名的卡諾(Carnot)公式就是
ΓΙ = I mttmTa~
Th表示了熱力發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最大效率η受到了上述溫度比率的限制。但是，這個(gè)公式也表明，在約2800Κ絕熱燃燒溫度與約300Κ環(huán)境溫度之間工作的發(fā)動(dòng)機(jī)有可能達(dá)到接近90%的效率極限。目前的發(fā)動(dòng)機(jī)尚不能充分利用這個(gè)溫度范圍。本發(fā)明充分利用了這個(gè)溫度范圍，因此卡諾效率限值將高得多。內(nèi)燃機(jī)目前分成正排量機(jī)(positive displacement machines)和運(yùn)動(dòng)流機(jī)(kinetic flow machines)。正排量機(jī)包括活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和汪克爾(Wankel)發(fā)動(dòng)機(jī),而運(yùn)動(dòng)流機(jī)包括燃?xì)鉁u輪機(jī)。正排量機(jī)的特性在于其會(huì)吸入和處理離散工作容積的氣體，這部分氣體隨后經(jīng)歷一個(gè)涉及了容積變化和熱量加入和排出的循環(huán)過(guò)程。正排量機(jī)分成以兩沖程或四沖程循環(huán)方式工作的火花點(diǎn)燃和壓縮點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。所有這些發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了相同的壓縮工作原理。這個(gè)原理首先由Alphonse Beau de Rochas在一本出版于1862年的小冊(cè)子上提出。這本小冊(cè)子精確地描述了四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。在1876年，Nikolaus Otto博士再次發(fā)現(xiàn)了這個(gè)原理并制造了一臺(tái)成功運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)。從那時(shí)起，壓縮工作原理一直是一致的。以下效率公式主導(dǎo)著這種Otto循環(huán)以及適用于燃?xì)鉂?rùn)輪機(jī)的Joule-Brayton循環(huán)，是這個(gè)領(lǐng)域非常著名的公式
權(quán)利要求
1.一種非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，所述非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)用于在循環(huán)內(nèi)工作并包括能量再生裝置。
2.如權(quán)利要求I所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)具有可變?nèi)莘e裝置，所述可變?nèi)莘e裝置用于在循環(huán)內(nèi)工作，且所述能量再生裝置將一定比例的離開(kāi)所述可變?nèi)莘e裝置的能量返回至所述可變?nèi)莘e裝置之內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括用于將一定工作體積的氣體吸入到所述發(fā)動(dòng)機(jī)的裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的能量再生裝置用于在基本恒定的體積下向所述工作體積的氣體供應(yīng)熱量。
5.如權(quán)利要求3或4所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述能量再生裝置用于從處于可變?nèi)莘e裝置循環(huán)內(nèi)的工作氣體獲取能量并將此能量作為熱量返回至可變?nèi)莘e裝置的后續(xù)循環(huán)內(nèi)。
6.如權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述可變?nèi)莘e裝置包括燃燒膨脹器。
7.如權(quán)利要求6所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括燃料入口，所述燃料入口設(shè)置成用于將燃料導(dǎo)入至所述燃燒膨脹器以在其內(nèi)燃燒。
8.如權(quán)利要求6或7所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述燃燒膨脹器包括活塞和汽缸。
9.如權(quán)利要求6或7或8所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述燃燒膨脹器具有位于其活動(dòng)部件之間的迷宮式密封或空氣軸承裝置。
10.如權(quán)利要求6所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述燃燒膨脹器包括燃燒室，所述燃燒室通過(guò)噴嘴連接至渦輪機(jī)葉輪。
11.如權(quán)利要求6至10中任一項(xiàng)所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述燃燒膨脹器采用耐熱材料制造，所述耐熱材料選自于包括不銹鋼、耐高溫合金和工程陶瓷的材料組。
12.如權(quán)利要求6至11中任一項(xiàng)所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括用于控制工作氣體進(jìn)入或離開(kāi)能量再生裝置的流動(dòng)的閥門系統(tǒng)。
13.如權(quán)利要求12所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述閥門系統(tǒng)包括可動(dòng)構(gòu)件并且所述可動(dòng)構(gòu)件上設(shè)置有所述能量再生裝置。
14.如權(quán)利要求13所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述可動(dòng)構(gòu)件內(nèi)包括可旋轉(zhuǎn)盤，所述可旋轉(zhuǎn)盤設(shè)置用于提供能量再生裝置在第一位置與第二位置之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在第一位置處所述能量再生裝置提供能量給進(jìn)入燃燒膨脹器的工作氣體，在第二位置處所述能量再生裝置從離開(kāi)燃燒膨脹器的工作氣體中獲取熱量。
15.如權(quán)利要求2至14中任一項(xiàng)所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述可變?nèi)莘e裝置包括配備進(jìn)氣閥的進(jìn)氣排出器。
16.如權(quán)利要求15所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，進(jìn)氣排出器包括活塞和汽缸。
17.如基于根據(jù)權(quán)利要求12的權(quán)利要求15或16所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述閥門系統(tǒng)用于控制所述燃燒膨脹器、所述進(jìn)氣排出器與所述能量再生裝置之間的聯(lián)通。
18.如權(quán)利要求I至17中任一項(xiàng)所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述可變?nèi)莘e裝置包括大氣沖程裝置。
19.如權(quán)利要求18所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述大氣沖程裝置包括大氣冷卻器。
20.如權(quán)利要求19所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述大氣冷卻器包括活塞和汽缸。
21.如權(quán)利要求19所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述大氣冷卻器包括用于將液體噴灑到氣體中以帶走熱量的噴灑系統(tǒng)。
22.如權(quán)利要求19至21中任一項(xiàng)所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述大氣冷卻器包括與大氣進(jìn)行聯(lián)通的排氣閥。
23.如權(quán)利要求22所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括曲軸，所述曲軸配置用于驅(qū)動(dòng)所述進(jìn)氣排出器、燃燒膨脹器和大氣冷卻器。
24.如權(quán)利要求23所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述燃燒膨脹器和所述大氣冷卻器相互之間按180度的異相被驅(qū)動(dòng)。
25.如權(quán)利要求24所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述進(jìn)氣排出器與所述燃燒膨脹器和大氣冷卻器相比沖程較小。
26.如權(quán)利要求25所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括面凸輪和凸輪隨動(dòng)件，所述面凸輪和凸輪隨動(dòng)件能夠由所述曲軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以控制所述進(jìn)氣排出器。
27.如權(quán)利要求26所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括在排出模式下能夠由曲軸驅(qū) 動(dòng)而在閉合時(shí)消除死容積的閥門。
28.如基于權(quán)利要求12和15的權(quán)利要求19至22中任一項(xiàng)所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述閥門系統(tǒng)構(gòu)造成用于控制所述燃燒膨脹器、進(jìn)氣排出器、能量再生裝置和大氣冷卻器之間的聯(lián)通。
29.如權(quán)利要求I至28中任一項(xiàng)所述的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述能量再生裝置包括再生器部件，所述再生器部件用于累積、貯存和釋放能量，所述再生器部件內(nèi)部設(shè)有允許工作氣體流經(jīng)的流動(dòng)路徑。
30.一種在實(shí)質(zhì)上符合本文結(jié)合附圖
所做描述以及在任一附圖中所示出的非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)。
全文摘要
一種非壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)，具有兩個(gè)或三個(gè)可變?nèi)莘e機(jī)構(gòu)，進(jìn)氣排出器(1)和燃燒膨脹器(2)，或進(jìn)氣排出器(1)和燃燒膨脹器(2)以及大氣冷卻器(3)。一定工作容積的氣體被吸入至進(jìn)氣排出器，然后以基本上恒定的量通過(guò)再生器(5)排出至燃燒膨脹器(2)之內(nèi)。處于燃燒膨脹器(2)內(nèi)部的氣體將在燃料的燃燒作用下進(jìn)一步得到加熱，隨后膨脹以做功。所述氣體隨后以基本上恒定的量通過(guò)再生器(5)排入至大氣冷卻器(3)之內(nèi)，或者在恒定壓力下從再生器排出。所述氣體在大氣冷卻器(3)內(nèi)收縮并做大氣壓力功。一旦所述氣體與大氣壓力取得平衡，就將其從大氣冷卻器(3)排出。
文檔編號(hào)F01N5/02GK102782275SQ201080058901
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2010年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者尼克拉斯·理查德·科茨 申請(qǐng)人:奧特姆有限公司