CN1202572A - 双工质联合循环单机***发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明双工质联合循环单机***发动机,包括水—汽油发动机,水—柴油发动机和水—燃气轮机,并采用了水作为第二工质,第二工质补给***的结构特点是:用隔板隔开燃烧室的一部分构成蒸汽室,水—汽油、柴油发动机是在作功冲程适当时机向蒸汽室喷入第二工质水,汽化后产生蒸汽势能喷向燃烧室,与燃气势能共同作功,从而增大扭矩,提高转速;水—燃轮机是连续向蒸汽室加入第二工质水,以补充燃气势能的不足,可降低燃气温度,本发明设计合理,提高效率,节省能源,降低了对耐高温材料的要求,便于推广应用。
Description
本发明涉及热力机械技术领域，是对现有发动机的改进，适用于汽油发动机、柴油发动机和燃气轮机。
热力机械，其种类多，应用广，对国民经济发展起着重要的作用。众所周知，发动机是借助于具有一定势能的工质来做功，热，是不能直接转为功能的。而目前普遍使用的发动机，不管是开口燃烧式或闭口燃烧式的都是单一工质做功***的发动机，其缺点是效率低，各种发动机的热效率均在50％以下，如汽油发动机为27-30％，效率较高的柴油发动机也不过40-42％，而蒸汽机更低，仅为8-10％。效率低的原因是只靠单一工质来做功，动力特性差，以汽油发动机为例：在做功冲程的初始阶段，燃料很快燃烧完毕，此后，能量不再释放，工质不再增加，致使气缸内高峰压力持续时间短，并随着气缸急刷增容压力很快下降，扭矩很小，因此，效率提高百分之一都是非常困难的，这是长期没有解决的难题。近年来科技人员设法将闭口燃烧式和开口燃烧式发动机组合起来，实现联合循环，这样虽然可以利用闭口发动机机的剩余热量和开口发动机废弃的燃气势能，节省能耗，提高效率，但两台机械组合起来，设备多，体积大，组合复杂，难于普遍推广应用，只限于大型火力发电厂的座台机械应用，而对于大量的高能耗低效率的运输机械和工程机械则无法解决。
本发明的目的是研制一种结构合理、实用，能用两种工质做功，效率高，动力特性好、节省能源的双工质联合循环单机***发动机。
本发明双工质联合循环单机***发动机，包括水—汽油发动机、水—柴油发动机和水—燃气轮机；水—汽油、柴油发动机，包括曲轴、连杆、活塞和缸体组成的曲轴连杆机构。凸轮轴、气门和进、排气管组成的配气机构，化油器、油管、油泵、柱塞泵、高压管和喷雾器组成的燃料供给***，离心水泵、冷却水套和水箱散热器组成的冷却***，发动机、电瓶、变压器和火花塞组成的电气***。滤清器、机油泵和油底壳组成的润滑***；水—燃气轮机包括透平、低压压气机和高压压气机，燃烧室的进气管与高压压气机相连，燃气输出管通向透平的叶轮，其特征是本单机***发动机采用了水作为第二工质，安装了第二工质水的补给***；水—汽油、柴油发动机第二工质补给***的结构是将第二工质补给***与冷却***联合在一起，设有储水箱，储水箱的出口一路与水箱散热器相连，另一路经离心水泵和冷却水套与I级过滤器相接，其后有齿轮泵和换热器与II级、III级过滤器相连，再后依次与三通阀门、限压阀、柱塞泵、高压管换热器和喷雾器相连，喷雾器通向蒸汽室，每个缸均有一个蒸气室和一个喷雾器；水—燃气轮机的第二工质补给***的结构包括储水池，其后是粗滤器和电动机带动的柱塞泵，再经限压阀、限流阀与换热器相连，最后经精过滤器和喷雾器通向蒸汽室。
水—汽油发动机的蒸汽室是用金属隔板隔开沿气缸盖内壁附近的一部分燃烧室构成的，隔板边缘与燃烧室侧壁连结，沿隔板边缘开有通向燃烧室的蒸汽喷孔，孔径为φ5-12mm，全部蒸汽喷孔的总面积不小于气缸筒截面积的四分之一。
水—柴油发动机的蒸汽室是金属隔板隔开气缸盖内壁附近一部分燃烧室构成，隔板的面积不足燃烧室横截面的一半，靠气缸盖边缘的部分压在气缸盖与缸体之间，蒸汽室面向气门一边为开口，通向燃烧室。
蒸汽室隔板可用白钢制成，厚度为1-1.5mm，气缸盖内壁与隔板间的距离为1-2.5mm。
水—汽油、柴油发动机的换热器是气缸盖的吸热部件，是利用缸盖和尾气的热量提高第二工质水的温度。
在水—汽油发动机的气缸盖上沿盖面方向开有尾气排放空腔，高压管换热器是螺旋状的高压管穿过空腔构成的。
水—汽油、柴油发动机的柱塞泵齿轮与过桥齿轮啮合，过桥齿轮与曲轴齿轮啮合，柱塞泵齿轮与曲轴齿轮的转数比为1∶2，以保证第二工质水轮流，适时地喷向每个气缸的蒸气室。
水—燃气轮机的蒸汽室是包容在燃烧室外侧的环带状空间，多个喷雾器均匀地安装在蒸汽室的环状入口处，放置的角度，应使第二工质水均匀地喷射在燃烧室的外壁上。
下面说明第二工质的作功情况：
水—汽油、柴油发动机第二工质是在作功冲程燃气势能不足时加入的，其过程如下：
第二工质水在冷却水套出口处的温度为90-95℃，进入I级过滤器经齿轮泵加压到0.3-0.5MPa，送至换热器，升温至130-150℃，再经II级、III级过滤器和三通阀门进入柱塞泵后升压至12-18MPa，进入高压管换热器滞留20秒钟以上，水温升至250-355℃，此时，当活塞达上止点前16-24°时，高温高压的水喷向蒸汽室，从隔板和气缸盖获得汽化热，所以瞬间完成相变，成为400-420℃过程蒸汽，由蒸汽喷孔喷向燃烧室，与燃气共同推动活塞、曲轴作功，大大延长了缸内最高压力(4MPa)的持续时间，使得发动机的动力特性改善，效率提高。
水—燃气轮机的第二工质与第一工质同时作功，以增大势能，提高效率，其过程是：水池中的水经粗过滤器后，由高压柱塞泵升压至4MPa左右，经换热器使高压管内的水温达185-245℃左右，经喷雾器喷向蒸汽室，很快吸热汽化，在出口与1800℃以上的燃气混合，增大了势能，使温度降至500-600℃的混合气体，喷向透平的叶轮。
本发明与现有发动机比较有如下优点：
1、本发明是将两种工质在一部发动机中联合循环，即在一部发动机中完成奥图循环和郎肯循环，或荻塞尔循环与郎肯循环，或定压加热燃气轮机循环与郎肯循环，这不仅利用了闭口燃烧发动机的燃烧势能，而且其余热也能将第二工质水转换成蒸汽势能送入燃烧室，以解决气缸内燃气势能小、最高压力持续时间短等长期无法解决的难题，改善了动力特性，提高了效率，可达50-60％以上，并可根据第二工质水喷射时刻的早晚来满足不同车辆对扭矩、转速的不同要求。
2、对于水—汽油发动机而言，尾气从气缸盖的空腔通过，而蒸汽室又在缸盖和隔板之间，所以第二工质水可以不断地从缸盖和隔板上获得汽化所需热量，保证相变在缸内完成，而不从燃气中直接摄取热量，不影响燃烧室内的温度、压力。同时，冷却***与第二工质补给***联合工作，既达到了冷却要求又提高了第二工质水的温度或用来对驾驶室进行取暖，能量做到充分利用。
3、水—燃气轮机是同时用两种不同工质作功，第一工质完成定压加热的燃气轮机循环，其尾气和燃烧室壁的热量使第二工质相变，补充了势能共同作功，增大了压力。同时由于大量蒸汽与燃气混合，使得喷向叶轮气体的温度降到600℃以下，避免过高温度的燃气对叶轮的热伤害。并且，由于补充了大量蒸汽，减少了过量空气的供给，减轻压气机的负荷可提高进气压力，减少燃料的消耗，为燃气轮机的普遍应用创造条件。
4、本发明用水作为第二工质具有经济实用特点。因为水在相变过程中，吸热能力强，体积变化大，无污染，易取得，成本低。
图1是水—汽油发动机的结构示意图；
图2是水—汽油发动机第二工质补给***的工作原理示意图；
图3是水—汽油发动机燃烧室和蒸汽室的结构示意图；
图4是水—柴油发动机的结构示意图；
图5是水—柴油发动机第二工质补给***工作原理示意图；
图6是水—柴油发动机的燃烧室和蒸汽室结构示意图；
图7是图6的N向视图；
图8是图7的A-A视。
图中的水—汽油发动机有油底壳1，缸体2，曲轴3，连杆4，凸轮轴5，汽油泵6，汽油管7，活塞8，冷却水套9，气门10，排气支管11，进气支管12，化油器13，火花塞14，燃烧室18，气缸盖20，排气管22，离心水泵23，进气管加热器35。
图中的水—柴油发动机有油底壳1，缸体2′，曲轴3′，连杆4′，柱塞泵21′，高压管15′，活塞8′，气门10′，排气支管11′，进气支管12′，喷雾器17′，燃烧室18′。
图中的水—汽油发动机和水—柴油发动机的第二工质补给***的结构是一样的，二者通用，有高压管15，汽油机蒸汽室隔板16，柴油机蒸汽室隔板16′，喷雾器17，换热器19，柱塞泵21，齿轮泵24，储水箱25，蒸汽室26，汽油机蒸汽室蒸汽喷孔27，柴油机蒸汽室开口27′I级过滤器28，II级滤器29，III级过滤器30，水箱散热器31，高压管换热器32，三通阀门33，消音器34，限压阀36，滤网37、38，防冻液罐39，水温表40，水量表41，压力表42，W、G、E为水—汽油发动机主机，W、D、E为水—柴油发动机主机，A为空气，G为汽油，D为柴油，W为水。
图9是水—燃气轮机的工作原理示意图。
图9中有蒸汽室43，透平44，低压压气机45，高压压气机46，负载47，燃烧室48，储水池49，粗滤器50，电动机51，柱塞泵52，限压阀53，限流阀54，换热器55，喷雾器56，精滤器57，压力表58，差压表59，单向旁通阀60。图中的换热器N1、N2分别为尾气进、出口，N3、N4分别为水进出口。
实施例：按上述设计方案试制了一台水—汽油发动机，蒸汽室隔板为白钢，板厚1.0mm，隔板与缸盖内壁距离1.8mm；经实地运行，效果很好，第二工质水从作功冲程的上止点前8-16°开始喷射，由于燃气和蒸汽势能的共同作功，缸内最高压力(4MPa)的持续时间延长两倍以上，由原来曲轴转角的0-15°，变为0-45°，经用水力测功机测定，在同等耗油条件下，动力增加113％，翻一番还多，通过热功当量换算，热效率由原来的27-30％，提高到54-60％，扭矩明显增大，达62-65Kgf.m，自重比(Kg/KW)下降45％，造价(元/KW)下降30-35％，转速略有增加，排气污染下降明显，嗓声较低。
Claims (6)
1、一种双工质联合循环单机***发动机，包括水—汽油发动机、水—柴油发动机和水—燃气轮机；水—汽油、柴油发动机，包括曲轴(3)、(3′)、连杆(4)、(4′)、活塞(8)、(8′)，和缸体(2)、(2′)组成的曲轴连杆机构，凸轮轴(5)、气门(10)、(10′)和进、排气管(12)、(12′)、(22)、(22′)、(11)、(11′)、组成的配气机构，化油器(13)、油管(7)，油泵(6)，柱塞泵(21′)，高压管(15′)和喷雾器(17′)组成的燃料供给***，离心水泵(23)、冷却水套(9)和水箱散热器(31)组成的冷却***，发电机，电瓶、变压器和火花塞(14)组成的电气***，滤清器、机油泵和油底壳(1)、(1′)组成的润滑***；水—燃气轮机的包括透平(44)、低压压气机(45)和高压压气机(46)，燃烧室(48)的进气管与高压压气机(46)相连，燃气输出管通向透平(44)的叶轮，其特征是本单机***发动机采用了水作为第二工质，安装了第二工质水的补给***；水—汽油、柴油发动机第二工质补给***的结构是将第二工质补给***与冷却***联合在一起，设有储水箱(25)，储水箱(25)的出口一路与水箱散热器(31)相连，另一路经离心水泵(23)和冷却水套(9)与I级过滤器(28)相接，其后有齿轮泵(24)和换热器(19)与II级、III级过滤器(29)、(30)相连，再后依次与三通阀门(33)、限压阀(36)、柱塞泵(21)、高压管换热器(32)和喷雾器(17)相连，每个缸均有一个蒸汽室(26)和一个喷雾器(17)；水—燃气轮机的第二工质补给***的结构包括储水池(49)，其后是粗滤器(50)和电动机(51)带动的柱塞泵(52)、再经限压阀(53)、限流阀(54)与换热器(55)相连，最后经精过滤器(57)和喷雾器(56)通向蒸汽室(43)。
2、按照权利要求1所述的单机***发动机，其特征是水—汽油发动机的蒸汽室(26)是用金属隔板(16)隔开沿气缸盖内壁附近的一部分燃烧室(18)构成的，隔板(16)边缘与燃烧室(18)侧壁连结，沿隔板(16)边缘开有通向燃烧室(18)的蒸汽喷孔(27)，孔径为φ5-12mmφ。
3、按照权利要求1、2所述的单机***发动机，其特征是全部蒸汽喷孔的总面积不小于气缸筒截面积的四分之一。
4、按照权利要求1所述的单机***发动机，其特征是水—柴发动机的蒸汽室(26)是金属隔板(16′)隔开气缸盖内壁附近一部分燃烧室(18′)构成的，隔板(16′)的面积不足燃烧室(18′)横截面积的一半，靠气缸盖(20′)边缘的部分压在气缸盖(20′)与缸体(2′)之间，蒸汽室(26)面向气门(10)一边为开口(27′)，通向燃烧室(18′)。
5、按照权利要求1所述的单机***发动机，其特征是蒸汽室(26)隔板(16)、(16′)、可用白钢制成，厚度为1-1.5mm，气缸盖(20)、(20′)内壁与隔板(16)、(16′)间的距离为1-2.5mm。
6、按照权利要求1所述的单机***发动机，其特征是水—燃气轮机的蒸汽室(43)是包容在燃烧室(48)外侧的环带状空间，多个喷雾器(56)均匀地安装蒸汽室(43)的环状入口处，放置的角度应使第二工质水均匀地喷射在燃烧(48)的外壁上。
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