CN103644026A

CN103644026A - 余热加力气动内燃机

Info

Publication number: CN103644026A
Application number: CN201310672942.XA
Authority: CN
Inventors: 李春崇
Original assignee: Individual
Current assignee: Guangxi Guang Yi Environmental Protection Technology Co Ltd
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2033-12-12
Also published as: CN103644026B

Abstract

本发明公开了若干种余热加力气动内燃机，它包括内燃机、压缩空气发动机和/空气压缩机，压缩空气发动机利用内燃机的余热和/空气压缩机产生的压缩空气，高温的压缩空气在压缩空气发动机的气缸中膨胀做功，产生动力并附加在曲轴上，使曲轴的动力输出增加；而高温压缩空气在气缸中膨胀做功产生的动力大于空气压缩机消耗的动力。在同等输出功率的情况下，本发明所用的内燃气缸数量比常规内燃机少，因此污染物及噪音相应减少。内燃机总效率可达40～60%，油耗节省30～50%左右，废气污染物排放相应减少。适合于常规内燃机的应用范围，如汽车、轮船、发电等领域。

Description

余热加力气动内燃机

技术领域

本发明涉及一种发动机，尤其是内燃机。

背景技术

目前已公知的内燃机主要由气缸体气缸套、活塞、活塞环、连杆、曲轴、进排气配气机构等部件组成。其中，活塞与曲轴之间由连杆连接；活塞与缸套之间的缝隙靠活塞环密封，活塞环与缸套之间有润滑油润滑。内燃机的冷却主要分为风冷和水冷，气缸体的外侧周围为水冷换热通道或风冷散热翅片。内燃机的余热主要包括从废气排出的余热、气缸壁和气缸盖通过风冷或水冷带走的余热。冷却水带走的余热由风扇冷却。还有少量的润滑油冷却器带走的热量。经相关研究结果表明，内燃机用于作功的热效率一般仅为20～40%，其中汽油机一般为20～30%，柴油机一般为30～40%。废气排气热损失约占总热量的30～40%、气缸壁和气缸盖的散热损失约占总热量的20%。因此余热占总热量的50～60%。废气排气温度一般达到500～1000℃。目前内燃机余热仅用于取暖等辅助系统，还未能有效利用内燃机的余热用于提高内燃机的动力。

现有另一种发动机是热气机，属于一种外燃机，如斯特林发动机，它是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的闭式循环往复式发动机。

目前还有一种发动机是压缩空气发动机，是利用压缩空气动力驱动的气动发动机。该气动发动机主要包括压缩空气贮存罐及气动马达组成，气动马达主要有往复活塞式气动马达和叶片式气动马达。

充分利用余热来提升内燃机动力和热效率、减少燃料消耗、废气排放物和噪音是发动机技术发展和保护环境的方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、能充分利用内燃机余热提升动力和节能降耗、减少污染的余热加力气动内燃机。

为达上述目的，本发明的技术方案为：

一种余热加力气动内燃机，它包括含气缸、活塞、连杆和曲轴的内燃机及压缩空气发动机，其特征在于：

还包括

含空气压缩气缸、空气压缩气缸活塞、空气压缩连杆和空气压缩曲轴的空气压缩机；

串接在空气压缩机气缸进气口与压缩空气发动机气缸出气口之间的回热换热器和冷却器；

通过废气净化器和管道与内燃气缸排气口连接的废气气气换热器；

通过管道一端与废气气气换热器，另一端与空气压缩机排气口连接的压缩空气贮存罐；

所述内燃机、压缩空气发动机及空气压缩机的连杆均与同一曲轴连接，传输动力。

还包括

通过管道一端与废气气气换热器连接，另一端与回热换热器连接的气冷夹套；

所述内燃机、压缩空气发动机及空气压缩机的连杆均与同一曲轴连接，传输动力；

所述的内燃机、压缩空气发动机和空气压缩机的气缸和活塞，比常规或现有技术的长度增加，且增加的长度等于或大于活塞的常规行程。

在压缩空气发动机的气缸上，还设有空气压缩气缸进气管和空气压缩气缸出气管；

所述内燃机和压缩空气发动机的连杆均与同一曲轴连接，传输动力；

还包括

串接在空气压缩气缸进气管和空气压缩气缸出气管之间的回热换热器和冷却器；

通过管道一端与废气气气换热器，另一端与空气压缩机排气口连接的压缩空气贮存罐。

还包括

所述的内燃机、压缩空气发动机和空气压缩机的气缸和活塞，比常规或现有技术的长度增加，且增加的长度等于或大于活塞的常规行程；

内燃机、压缩空气发动机的活塞加长段和气缸内的缸套材料采用耐高温材料的耐热合金钢、陶瓷制造。

还包括

通过管道一端与废气气气换热器连接，另一端与气冷夹套出口管连接；

废气气气换热器还通过管道和压缩空气电磁控制阀V1与空气压缩机排气口连接；通过回热换热器冷却空气出气管和与回热换热器连接。

在空气压缩机的进气口上设有空气电磁控制阀V2。

本发明是内燃机、压缩空气发动机和/空气压缩机组合的混合动力发动机，压缩空气发动机利用内燃机的余热和/空气压缩机产生的压缩空气，高温的压缩空气在压缩空气发动机的气缸中膨胀做功，产生动力并附加在曲轴上，使曲轴的动力输出增加。而高温压缩空气在气缸中膨胀做功产生的动力大于空气压缩机消耗的动力。实现利用内燃机的余热提高动力，达到节能降耗、减少污染的目的。

本发明的优点为：

1、本发明利用内燃机的排放余热有效转化成动力，与常规内燃机相比，在动力不变情况下，外形尺寸相差不大，热机总效率提高10～15%，油耗节省30～50%左右，废气污染物排放相应减少；

2、在同等输出功率的情况下，本发明所用的内燃气缸数量比常规内燃机少，因此污染物及噪音相应减少；

3、本发明设置有压缩空气贮存罐，具有贮能功能。用于车辆时能回收刹车能量及进行内燃气缸气动起动。内燃气缸可以不需怠速运转，减少内燃气缸低效率运转的能耗。因此综合油耗低；

4、本发明实用性强，通过更换活塞、气缸盖等方法，易于对现存的各种内燃机改造成本发明余热加力气动内燃机；

5、本发明结构简单，外形与常规内燃机相似，因此适合于常规内燃机的应用范围，如汽车、轮船、发电等领域。

附图说明

图1是本发明之一的结构示意图；

图2是本发明之二的结构示意图；

图3是本发明之三的结构示意图；

图4是本发明之四的结构示意图；

图5是本发明之五的结构示意图；

图6是本发明中气缸体与活塞体比常规气缸长度增加的结构示意图；

图7是图6中I的放大结构示意图；

在图中，曲轴1、内燃气缸2、气缸水冷夹套3、内燃气缸活塞4、内燃气缸进气管5、内燃气缸排气管6、废气净化器7、压缩空气加力气缸进气管8、废气气气换热器9、压缩空气贮存罐10、回热换热器冷却空气出气管11、废气排气管消音器12、回热换热器13、废气排出管14、空气压缩气缸出气管15、压缩空气加力气缸排气管16、冷却器17、回热换热器冷却空气进气管18、压缩空气加力气缸19、空气压缩气缸进气管20、空气压缩气缸21、飞轮22、空气压缩气缸活塞23、压缩空气加力气缸活塞24、气冷夹套25、内燃机气缸活塞加长段26、气冷夹套出气管27、压缩空气加力气缸活塞加长段28、空气压缩气缸活塞加长段29、活塞环30、压缩空气电磁控制阀V1、空气电磁控制阀V2。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步说明。

发明原理：

根据理想气态方程式: PV=MRT，P为压力、V为体积、M为质量、R为系数、T为温度。由此公式可知，气体在压力不变的情况下，经过加热后，温度升高，体积发生膨胀。或气体在体积不变的情况下，气体经过加热后，温度升高，压力升高。大约温度每升高273℃，压力或体积增加约1倍。又根据热机效率μ=1-（T₀/T_b）可知_，其中T0为排气温度、Tb气体初始温度。热机排气温度越低、初始温度越高，热效率越高。本发明的原理是内燃气缸活塞经过一次常规做功后，利用其废气和/或气缸壁、和/或气缸盖传导散发的余热加热压缩空气，在压缩空气加力气缸膨胀做功，出力大于压缩空气加力气缸、和/或空气压缩气缸消耗的动力。相当于一台内燃机与利用其余热加力的压缩空气发动机组成混合动力装置，其总功率大于单一的内燃机。

空气压缩气缸出来的压缩空气一部分进入气气换热器与内燃机排出来的废气进行换热，另一部分压缩空气进入内燃机气缸、压缩空气加力气缸风冷夹套与缸壁换热。换热后的压缩空气被加热，温度升高，成为350～800℃的高温压缩空气，然后进入压缩空气加力气缸膨胀做功。完成做功后，从压缩空气加力气缸排出的温度约为200～300℃的中温空气，再用空气压缩气缸来的约100℃低温压缩空气进行换热,回收热量。中温空气被冷却至150℃左右，再经冷却器进一步冷却至100℃以下，然后回到空气压缩气缸进气口，进行下一个做功循环。

根据上述原理，本发明的具体实施方式如下：

图1所示，是本发明之一的结构示意图，即单纯废气余热利用的技术方案。在图1中，内燃气缸2、压缩空气加力气缸19和空气压缩气缸21的活塞4、24和23都通过连杆与曲轴1同轴联动并传输动力。与常规内燃机采用水冷气缸套结构相同，内燃气缸2和压缩空气加力气缸19由外侧的气缸水冷夹套3冷却。各气缸水冷夹套3通过管道相通，在图中为简洁没画出相通的管道，气缸水冷夹套3对相对应内侧的缸壁进行冷却。包括曲轴1、内燃气缸2、内燃气缸活塞4和内燃气缸进气管5的内燃机工作与现有技术的相同。内燃气缸2在工作过程中从内燃气缸排气管6排出的高温废气，一般经过废气净化器7进行净化处理，然后进入废气气气换热器9，与空气压缩气缸21排出的低温压缩空气进行逆流或其它流动方式的热交换。飞轮22固定在曲轴1的一端，有惯性助力的作用。

包括压缩空气加力气缸19、压缩空气加力气缸活塞24和曲轴1的压缩空气发动机与包括空气压缩气缸21、空气压缩气缸活塞23和曲轴1的空气压缩机的工作过程为：曲轴1在内燃机的带动下转动，同时也带动压缩空气加力气缸活塞24和空气压缩气缸活塞23运动，使空气压缩气缸活塞23对进入空气压缩气缸21中的空气进行压缩。空气压缩机通过空气电磁控制阀V2进气，并对进气进行压缩，空气压缩气缸21及其活塞23在工作中排出的低温压缩空气，经回热换热器冷却空气进气管18和回热换热器13升温后，由回热换热器冷却空气出气管11进入废气气气换热器9的。在废气气气换热器9中，低温压缩空气变为高温压缩空气，高温废气被冷却至150℃以下，被冷却的废气经废气排气管消音器12消音后从废气排出管14排出；而高温压缩空气则从压缩空气加力气缸进气管8和压缩空气电磁控制阀V1进入压缩空气加力气缸19，以热力驱动压缩空气加力气缸活塞24和曲轴1做功，在内燃气缸活塞4对曲轴1做功的基础上，又添加了压缩空气加力气缸活塞24对曲轴1做功，增加了动力。压缩空气加力气缸19排出的气体通过压缩空气加力气缸排气管16进入回热换热器13，并被空气压缩气缸21来的部分低温压缩空气冷却，再经冷却器17进一步冷却后，通过空气压缩气缸进气管20回到空气压缩气缸21，完成一个工作循环，再进行下一个工作循环。

在空气压缩气缸出气管15的一端上设置有低温压缩空气贮存罐10，低温压缩空气贮存罐10的另一端通过管道、废气气气换热器9和压缩空气电磁控制阀V1和压缩空气加力气缸19进气口连通，通过对压缩空气电磁控制阀V1、空气电磁控制阀V2的控制，增加本发明内燃机的操控性和开停机、负荷变化时能量贮存、回收。例如，需要回收能量时，如汽车需要制动或减速时，关闭压缩空气电磁控制阀V1，打开空气电磁控制阀V2，使压缩空气加力气缸19停止做功，将汽车动能转化为压缩空气势能，贮存于压缩空气贮存罐10。又如，汽车起动时，不需电起动。利用压缩空气贮存罐10的压缩空气动力起步，然后启动内燃气缸2实现汽车起步和启动。由于汽车可以利用压缩空气起步及启动内燃气缸2，因此汽车可以不需怠速运转，减少内燃气缸低效率运转的能耗。因此综合油耗低。

本方案是在常规水冷内燃机的基础上，仅利用了废气余热提高发动机动力，内燃气缸壁的散发的余热未能利用，因此发动机效率提升受到限制。

图2所示,是本发明之二的结构示意图，即废气、气缸风冷余热同时利用的技术方案。从图中可知，它在图1的结构和原理的基础上，使压缩空气加力气缸19、空气压缩气缸21和内燃气缸2及其活塞24、23和4比常规或现有技术的长度有所增加，且增加的长度等于或大于活塞的常规行程。即在空气压缩气缸活塞23、压缩空气加力气缸活塞24和内燃气缸活塞4的上端分别相应增加活塞加长段28、29和26。空气压缩气缸活塞23、压缩空气加力气缸活塞24、内燃气缸活塞4分别与其活塞加长段28、29、26同为一体结构或分段连接结构。各活塞环30的结构基本相同，分别设置在各活塞4、23和24上，参见图6和图7。三个活塞的加长段28、29、26与对应配套的缸套之间的缝隙尽量小，在活塞运动过程中以不接触缸套，避免产生摩擦损失为宜。其作用是把油润滑密封的活塞环行程区段与高温气体直接接触的缸壁段隔开。处在活塞加长段29和26的压缩空气加力气缸19和内燃气缸2外侧分别设有气冷夹套25，各气冷夹套25通过管道相通，在图中为简洁没画出相通的管道，气冷夹套25对相对应的内侧缸壁进行冷却。在空气压缩气缸21中产生的低温压缩空气从空气压缩气缸出气管15出来后，一部分通过压缩空气贮存罐10进入废气气气换热器9，被高温废气加热成为高温压缩空气；另一部分由回热换热器冷却空气进气管18经回热换热器13加热后，通过回热换热器冷却空气出气管11进入气冷夹套25内, 对其内侧的压缩空气加力气缸19和内燃气缸2进行冷却。而进入气冷夹套25内的低温压缩空气被压缩空气加力气缸22、内燃气缸2外壁加热为高温压缩空气,再从气冷夹套出气管27出来, 通过废气气气换热器9进一步升温后，成为高温压缩空气。上述两部分高温压缩空气经压缩空气电磁控制阀V1进入压缩空气加力气缸19，驱动活塞24和活塞加长段29及曲轴1做功，对于曲轴1来说，在内燃机对其做功的基础上，增加了出力。

本方案把三个活塞及缸体加长后，实现活塞环密封润滑位置处在高温区之外，排除烧机油及气缸积碳故障。因此高温区段气缸可采用风冷结构形式。因此本方案除了利用废气余热外，还充分利用气缸壁散发的余热。所以热效率更高。

图3所示，是本发明之三的结构示意图，即空气压缩气缸和压缩空气加力气缸合为一体的技术方案。在图中，本技术方案是在图1技术方案之一的基础上，将压缩空气加力气缸19和空气压缩气缸21的功能合二为一,即取消图1中的空气压缩气缸21，在压缩空气加力气缸19上增设空气压缩气缸进气管20和空气压缩气缸出气管15，工作过程和原理与图1的基本相同，只空气压缩气缸21由压缩空气加力气缸19代替，进气和排气仍由空气压缩气缸进气管20和空气压缩气缸出气管15执行。利用相应的配气机构进行配气，实现进气、压缩、膨胀、排气四冲程。

空气压缩气缸和压缩空气加力气缸合为一体后，本方案在内燃气缸较少的情况下，可简化结构、减轻重量和减少成本。

图4所示，是本发明之四的结构示意图，即取消气缸气冷装置，采用绝热状态下运行的技术方案。从图4中可知，本技术方案是在图2的基础上取消气冷夹套25，活塞加长段26、29和气缸2、19内的缸套材料采用耐高温材料制造，如耐热合金钢、陶瓷等。内燃机在保温、绝热状态下运行，内燃气缸壁热量不散发，废气温度比常规内燃机高。余热集中由内燃气缸排气管6、废气净化器7、废气气气换热器9和废气排气管消音器12及废气排出管14排出。本方案处在高温区的活塞加长段26、29与气缸2、19内的缸套没有接触摩擦，所以，内燃气缸2能在绝热状态下工作，内燃气缸2热效率高于常规内燃机。同时，回收余热更简便，综合热效率更高。取消气冷夹套25后，空气压缩气缸21排出的压缩空气经空气压缩气缸出气管15，全部进入废气气气换热器9，得到更高温度的压缩空气，因此可以获得更高的热效率。工作过程和原理与图2的相同。

图5是本发明之五的结构示意图，即压缩空气不循环技术方案。如图5所示，本方案是在方案一、二、三、四的基础上取消回热换热器13和冷却器17，压缩空气加力气缸排气管16与废气排出管14连通，空气压缩气缸进气管20与大气连通，即压缩空气不循环。此方案设备少、结构简单，但压缩空气加力气缸19排出来的的空气还有较高的余压和温度，其能量不能充分回收利用。因此热效率有所下降。其工作过程为大气中的空气进入空气压缩气缸进气管20，经空气压缩气缸21产生压缩空气。压缩空气加力气缸19排出来的的空气进入废气排出管14后排入大气，其余的工作过程和原理与图1～5的相同。

图6所示，是本发明中气缸体与活塞体比常规气缸长度增加的结构示意图，图7是图6中I的放大结构示意图，由于各气缸和活塞的结构大同小异，所以以内燃气缸2及其活塞4来举例说明。图6和图7两图一起来看，处于内燃气缸2的活塞4通过连杆与曲轴1连接，活塞4的中部外侧的活塞槽中嵌有活塞环30。在活塞4的上面连接有活塞加长段26，在活塞加长段26上方的缸头上设有内燃气缸进气管5和内燃气缸排气管6。

本发明的构成主要为常规气缸结构和活塞体与活塞体加长结构，常规气缸结构，即气缸体和活塞体较短，活塞环的安装位置距活塞体顶部很近。活塞与活塞环的行程经过内燃机气缸的高温区。如图1、3所示。

活塞体与活塞体加长结构，其增加的长度为大于或等于活塞的行程，其活塞环安装的位置与常规气缸相当，即在气缸的高温区之下，活塞环的行程不经过内燃机气缸的高温区。其目的是使内燃机气缸的冷却适用于风冷或绝热下运行，减少热量损失。同时在保证充分湿润的情况下，避免烧机油和气缸积碳。如图2、4、5、6和7所示。

根据本发明的结构和原理配置的不同方案远不止上述几种。本发明的上述几种方案的不同部分之间的不同组合，及其与现行公知的各种技术、设备、系统配套的不同结合组成的不同组合方案应视为本发明的保护范围。

本发明根据功率不同，内燃机燃烧气缸配置一个或一个以上的内燃气缸。和一个或一个以上空气压缩气缸和一个或一个以上压缩空气加力气缸。

为了提高余热利用率，本发明余热加力气动内燃机有余热散发损失的机体表面，都应进行保温设置。

本发明根据动力的用途不同，可设置为内燃气缸、空气压缩气缸、压缩空气加力气缸不同曲轴。

本发明根据动力需要，内燃气缸的进气管上可配置蜗轮增压器，增加动力性能。

本发明配置的气气换热器采用换热效率较高的换热器和采用逆流换热的方式，可提高压缩空气加热温度和热效率。

本发明与常规内燃机结构、外形相似，因此适合于常规内燃机应用范围，如汽车、轮船、发电等领域。

本发明的废气排气一般达到500～1000℃,压缩空气从90℃左右提升到350～800℃，总热效率可达到40～60%。在动力不变情况下，外形尺寸相差不大，但油耗节省30～50%左右，废气污染物和噪音相应减少。

Claims

1.一种余热加力气动内燃机，它包括含气缸、活塞、连杆和曲轴的内燃机及压缩空气发动机，其特征在于：

还包括

通过管道一端与废气气气换热器连接，另一端与空气压缩机排气口连接的压缩空气贮存罐；

2.一种余热加力气动内燃机，它包括含气缸、活塞、连杆和曲轴的内燃机及压缩空气发动机，其特征在于：

还包括

3.一种余热加力气动内燃机，它包括含气缸、活塞、连杆和曲轴的内燃机及压缩空气发动机，其特征在于：

还包括

通过管道一端与废气气气换热器连接，另一端与空气压缩机排气口连接的压缩空气贮存罐。

4.一种余热加力气动内燃机，它包括含气缸、活塞、连杆和曲轴的内燃机及压缩空气发动机，其特征在于：

还包括

5.一种余热加力气动内燃机，它包括含气缸、活塞、连杆和曲轴的内燃机及压缩空气发动机，其特征在于：

还包括

6.根据权利要求1～4之一的余热加力气动内燃机，其特征在于：

7.根据权利要求1～4之一的余热加力气动内燃机，其特征在于：

在空气压缩机的进气口上设有空气电磁控制阀V2。

8.根据权利要求1～5之一的余热加力气动内燃机，其特征在于：

根据功率不同，余热加力气动内燃机配置一个或一个以上的内燃气缸，一个或一个以上空气压缩气缸和一个或一个以上压缩空气加力气缸。

9.根据权利要求1～5的余热加力气动内燃机，其特征在于：

余热加力气动内燃机各部分之间的不同组合，及其与现行公知的各种技术、设备、系统配套的不同结合组成的不同组合方案。