CN102374011A - 低温进气发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温进气发动机，包括发动机，在与所述发动机的燃烧室连通的进气道上设有压缩冷却***，该压缩冷却***包括压气机、热交换器、旁通管开口、旁通管，所述热交换器和旁通管开口设置在所述压气机的压缩气体出口与燃烧室之间的进气道上，所述旁通管开口通过旁通管与热交换器的冷流体入口连通。本发明大幅度提高了发动机的效率。

Description

低温进气发动机
技术领域
本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种低温进气发动机。
背景技术
在燃烧产物参与作功的热动力***（包括发动机）中，最重要的过程是要制备温度和压力参数科学合理的工质，才能推高热动力***的效率。为了制备温度和压力参数科学合理的工质，就要对热动力***的进气进行冷却，然而由于没有温度较低的冷源对进气的冷却一直处于效率较低的状态。因此，需要制造一个温度较低的冷源对进气进行高效冷却。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：
一种低温进气发动机，包括发动机，在与所述发动机的燃烧室连通的进气道上设置压缩冷却***，该压缩冷却***包括压气机、热交换器、旁通管开口、旁通管，所述热交换器和旁通管开口设置在所述压气机的压缩气体出口与燃烧室之间的进气道上，所述旁通管开口通过旁通管与热交换器的冷流体入口连通。
所述旁通管通过节流阀或作功机构与热交换器的冷流体入口连通。
在设有所述节流阀的结构中，在所述旁通管开口和所述燃烧室之间的所述进气道上设深冷热交换器，所述节流阀的气体出口经所述深冷热交换器的冷流体通道与所述热交换器的冷流体入口连通。
所述旁通管开口与节流阀之间设膨胀剂混合降温器，所述膨胀剂混合降温器与膨胀剂源连通。
在设有所述作功机构的结构中，在所述旁通管开口和所述燃烧室之间的所述进气道上设深冷热交换器，所述作功机构的工质出口经所述深冷热交换器与所述热交换器的冷流体入口连通。
所述压缩冷却***还包括环境吸热排热器，该环境吸热排热器设置在所述压气机上和/或在所述压缩气体出口和所述燃烧室之间的所述进气道上。
所述热交换器设置在所述环境吸热排热器和所述旁通管开口之间的所述进气道上。
在所述旁通管开口和所述燃烧室之间设环境吸热排热器，所述热交换器设置在所述环境吸热排热器和所述燃烧室之间。
在所述发动机的排气道上设排气动力透平，所述排气动力透平对所述压气机输出动力。
所述压气机设为多级压气机，在所述多级压气机的每一个级间或部分级间设环境吸热排热器。
在每个所述环境吸热排热器与下一级压气机的连通通道上或在一个所述环境吸热排热器与下一级压气机的连通通道上设旁通管开口。
本发明的原理是首先利用所述环境吸热排热器对所述发动机的进气在压缩进程中（即在所述压气机内）进行冷却，和/或利用所述环境吸热排热器对所述发动机的进气在所述压气机后进行冷却，使被压缩的进气的温度尽可能降低，然后将其中一部分与所述发动机的燃烧室连通，为所述发动机提供进气，另一部分通过节流阀或通过作功机构形成温度更低的气体冷源，利用这一气体冷源对进入所述发动机燃烧室的压缩气体进行冷却和/或利用这一气体冷源对进入所述发动机进气***的气体进行冷却，从而实现所述发动机进气温度的大幅度下降。
本发明中，所谓的膨胀剂混合降温器是指利用膨胀剂混合降温的热交换器，所谓的膨胀剂是指不参与燃烧化学反应起冷却降温增加工质摩尔数作用的物质，如水，液体二氧化碳、液氮、液氦、液态空气等。
本发明中，所谓的压气机是指一切可以对气体进行压缩增压的装置，如叶轮式压气机、活塞式压气机以及射流泵等。
本发明中，所谓的射流泵是指通过动力流体引射非动力流体（气体），两流体相互作用从一个出口排出的装置，在这种装置中，非动力流体（气体）被动力流体引射并被压缩，所谓的射流泵可以是传统射流泵，也可以是非传统射流泵。
本发明中，所谓的传统射流泵是指由两个套装设置的管构成的，向内管提供高压动力流体，内管高压动力流体在外管内喷射，在内管高压动力流体喷射和外管的共同作用下使内外管之间的其他流体（从外管进入的流体）沿内管高压动力流体的喷射方向产生运动的装置；所谓射流泵的外管可以有缩扩区，外管可以设为文丘里管，内管喷嘴可以设为拉瓦尔喷管，所谓的缩扩区是指外管内截面面积发生变化的区域；所述射流泵至少有三个接口或称通道，即射流泵动力流体喷射口、射流泵低压流体入口和射流泵流体出口。
本发明中，所谓的非传统射流泵是指由两个或两个以上相互套装设置或相互并列设置的管构成的，其中至少一个管与动力流体源连通，并且动力流体源中的动力流体的流动能够引起其他管中的流体产生定向流动的装置；所谓射流泵的管可以有缩扩区，可以设为文丘里管，管的喷嘴可以设为拉瓦尔喷管，所谓的缩扩区是指管内截面面积发生变化的区域；所述射流泵至少有三个接口或称通道，即射流泵动力流体喷射口、射流泵低压流体入口和射流泵流体出口；所述射流泵可以包括多个射流泵动力流体喷射口，在包括多个射流泵动力流体喷射口的结构中，所述射流泵动力流体喷射口可以布置在所述射流泵低压流体入口的管道中心区，也可以布置在所述射流泵低压流体入口的管道壁附近，所述射流泵动力流体喷射口也可以是环绕所述射流泵低压流体入口管道壁的环形喷射口。
本发明中，所谓的发动机是指至少包括燃烧室和作功机构的能够对外输出动力的装置，它可以是传统的二冲程发动机、四冲程发动机、活塞式发动机、燃气轮机、航空发动机，也可以是短压程充气发动机、爆排发动机等。
本发明中，所谓的爆排发动机是指由燃烧室和膨胀作功机构（即作功机构）构成的，只进行燃烧***作功过程（含燃烧***作功冲程）和排气过程，不包含吸气过程和压缩过程的热动力***（即将热转换成功的***），这种热动力***中原工质（充入燃烧室的工质）是以充入的方式而不是吸入的方式进入燃烧室的；燃烧室与膨胀作功机构（即作功机构）可以直接连通，也可以将燃烧室设置在膨胀作功机构内（如将燃烧室设置在气缸活塞机构的气缸内的结构），还可以将燃烧室经控制阀与膨胀作功机构连通；在将燃烧室经控制阀与膨胀作功机构连通的结构中，为了充分高效燃烧，可以使燃烧室处于连续燃烧状态，也可以使燃烧室处于间歇燃烧状态；一个燃烧室可以对应一个膨胀作功机构，一个燃烧室也可以对应两个或两个以上的膨胀作功机构；作功机构可以是活塞式膨胀作功机构（含转子式膨胀作功机构），还可以是透平式膨胀作功机构（即叶轮式作功机构），所谓的膨胀作功机构是指利用燃烧室的工质膨胀对外输出动力的机构；为使这种发动机正常工作需要在进气中加入燃料或在燃烧室中喷射燃料，根据燃料不同，可以采用点燃或压燃形式。
本发明中，所谓的短压程充气发动机是指没有独立的吸气冲程，排气过程、吸气过程和压缩过程共用一个冲程，在排气、进气、压缩过程完了后进行燃烧***冲程的发动机；所述压气机出口处的气体压力越高，所述短压程充气发动机的压缩过程占一个冲程的长度的份额可以越小，在具体发动机中，可根据工况的要求，调整所述压气机的气体出口处的气体压力和所述短压程充气发动机的压缩冲程的压缩力度。
本发明中，所谓的环境吸热排热器是指一切可以利用环境吸热，对气体进行排热降温的装置，可以是散热器，也可以是以冷却为目的的热交换器，例如中冷器等；所谓的热交换器是指以经过节流阀或作功机构降温的气体为冷源的，对发动机进气***中的气体和/或对进入所述发动机的燃烧室的压缩气体进行冷却的装置；所谓深冷热交换器是指能够将气体冷却到更低温度的热交换器；所谓的作功机构是指通过气体体积膨胀对外作功的装置。
本发明的有益效果如下：
1、本发明通过在发动机的进气道上设置压缩冷却***，对进入发动机燃烧室的气体进行压缩冷却，以提高发动机的效率。
2、本发明通过设置热交换器、环境吸热排热器、节流阀或作功机构、膨胀剂混合降温器等多级降温，从而大幅提高发动机的效率。
3、本发明结构简单，制造成本低，可靠性高。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为本发明实施例3的结构示意图；
图4为本发明实施例4的结构示意图；
图5为本发明实施例5的结构示意图；
图6为本发明实施例6的结构示意图；
图7为本发明实施例7的结构示意图；
图8为本发明实施例8的结构示意图；
图9为本发明实施例9的结构示意图，
图中：
1发动机、2压气机、3进气道、4环境吸热排热器、5作功机构、7排气道、30旁通管、33旁通管开口、71排气动力透平、101燃烧室、200多级压气机、201压缩气体出口、331热交换器、332深冷热交换器、335节流阀、3030膨胀剂混合降温器、3031膨胀剂源。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的低温进气发动机，包括发动机1和压气机2，所述压气机2的压缩气体出口201经进气道3与所述发动机1的燃烧室101连通，在所述压气机2上和在所述压缩气体出口201和所述燃烧室101之间的所述进气道3上均设环境吸热排热器4，在从所述环境吸热排热器4到所述燃烧室101之间的所述进气道3上依次设热交换器331和旁通管开口33，所述旁通管开口33与旁通管30连通；所述旁通管30与节流阀335的气体入口连通，所述节流阀335的气体出口与热交换器331的冷流体入口连通，利用所述热交换器331对所述发动机1的进气进行冷却。
实施例2
如图2所示的低温进气发动机，其与实施例1的区别在于：所述旁通管30与作功机构5的工质入口连通，所述作功机构5的工质出口与热交换器331的冷流体入口连通，利用所述热交换器331对所述发动机1的进气进行冷却。
实施例3
如图3所示的低温进气发动机，其与实施例1的区别在于：在所述旁通管开口33和所述燃烧室101之间的所述进气道3上设深冷热交换器332，所述节流阀335的气体出口经所述深冷热交换器332的冷流体通道与所述热交换器331的冷流体入口连通。
实施例4
如图4所示的低温进气发动机，其与实施例2的区别在于：在所述旁通管开口33和所述燃烧室101之间的所述进气道3上设深冷热交换器332，所述作功机构5的工质出口经所述深冷热交换器332与所述热交换器331的冷流体入口连通。
实施例5
如图5所示的低温进气发动机，其与实施例4的区别在于：在所述发动机1的排气道7上设排气动力透平71，所述排气动力透平71对所述压气机2输出动力。
实施例6
如图6所示的低温进气发动机，其与实施例1的区别在于：所述压气机设为多级压气机200，在所述多级压气机200的每一个级间均设环境吸热排热器4。
实施例7
如图7所示的低温进气发动机，其与实施例6的区别在于：在所述多级压气机200中的某些级上也设置环境吸热排热器4，且在所述多级压气机200的第一级和第二级之间的所述环境吸热排热器4与第二级压气机的连通通道上设旁通管开口33和旁通管30。
实施例8
如图8所示的低温进气发动机，包括发动机1和压气机2，所述压气机2的压缩气体出口201经进气道3与所述发动机1的燃烧室101连通，在从所述压气机2的压缩气体出口201到所述燃烧室101之间的所述进气道3上依次设旁通管开口33和热交换器331，所述旁通管开口33与旁通管30连通，所述旁通管30与节流阀335的气体入口连通，在所述旁通管30上设膨胀剂混合降温器3030，所述膨胀剂混合降温器3030与膨胀剂源3031连通，所述节流阀335的气体出口与所述热交换器331的冷流体入口连通，利用所述热交换器331对所述发动机1的进气进行冷却。
实施例9
如图9所示的低温进气发动机，其与实施例8的区别在于：在所述旁通管开口33和所述热交换器331之间的进气道3上设环境吸热排热器4。
显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种低温进气发动机，包括发动机（1），其特征在于：在与所述发动机（1）的燃烧室（101）连通的进气道（3）上设有压缩冷却***，该压缩冷却***包括压气机（2）、热交换器（331）、旁通管开口（33）、旁通管（30），所述热交换器（331）和旁通管开口（33）设置在所述压气机（2）的压缩气体出口（201）与燃烧室（101）之间的进气道（3）上，所述旁通管开口（33）通过旁通管（30）与热交换器（331）的冷流体入口连通。
2.根据权利要求1所述低温进气发动机，其特征在于：所述旁通管（30）通过节流阀（335）或作功机构（5）与热交换器（331）的冷流体入口连通。
3.根据权利要求2所述低温进气发动机，其特征在于：在设有所述节流阀（335）的结构中，在所述旁通管开口（33）和所述燃烧室（101）之间的所述进气道（3）上设深冷热交换器（332），所述节流阀（335）的气体出口经所述深冷热交换器（332）的冷流体通道与所述热交换器（331）的冷流体入口连通。
4.根据权利要求3所述低温进气发动机，其特征在于：所述旁通管开口（33）与节流阀（335）之间设膨胀剂混合降温器（3030），所述膨胀剂混合降温器（3030）与膨胀剂源（3031）连通。
5.根据权利要求2所述低温进气发动机，其特征在于：在设有所述作功机构（5）的结构中，在所述旁通管开口（33）和所述燃烧室（101）之间的所述进气道（3）上设深冷热交换器（332），所述作功机构（5）的工质出口经所述深冷热交换器（332）与所述热交换器（331）的冷流体入口连通。
6.根据权利要求1至5任意之一所述低温进气发动机，其特征在于：所述压缩冷却***还包括环境吸热排热器（4），该环境吸热排热器（4）设置在所述压气机（2）上和/或在所述压缩气体出口（201）和所述燃烧室（101）之间的所述进气道（3）上。
7.根据权利要求1所述低温进气发动机，其特征在于：在所述发动机（1）的排气道（7）上设排气动力透平（71），所述排气动力透平（71）对所述压气机（2）输出动力。
8.根据权利要求1所述低温进气发动机，其特征在于：所述压气机（2）设为多级压气机（200），在所述多级压气机（200）的每一个级间或部分级间设环境吸热排热器（4）。
9.根据权利要求8所述低温进气发动机，其特征在于：在每个所述环境吸热排热器（4）与下一级压气机的连通通道上或在一个所述环境吸热排热器（4）与下一级压气机的连通通道上设旁通管开口（33）。
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