专利名称：：空气工质外燃机的制作方法空气工质外燃枳^
技术领域：
空气工质外燃机，属于热动机领域。是一种燃料的化学能得以高效利用，理论热力效率超过一般内燃机的理论热力效率，并且可燃用各种固、液、气态燃料，不需水等其它工质参与循环，是一种燃料广谱、工质与氧化剂合-、结构简洁、体积小、启动迅速、运行平稳、噪音低，特别是节水，大、中、小、微型机均可高效运转的新型热动机。
背景技术：
：能价的不断上涨和污染影响的R益加剧，使我们不得不高度重视节能降耗和环境保护。石油、煤炭等矿物能源正在不断地大量消耗，能源的有效利用及环境保护问题成为世界性、长期性的课题。石油、煤炭等矿物能源以及其它植物、动物性燃料的存在，使热动机的应用成为不可替代的事实，同时对其优质、高效、"绿色"的要求逐闩提高。我国煤炭蕴藏量较大，煤炭热价较成品油热价低。据相关资料统计，我国己探明矿物燃料地质储量的比例是煤炭95%,石油4%，天然气0.5%，这种可燃矿产资源结构，决定了现、近阶段煤炭的主要能源地位，同时，大量的低热含量的矿物(如煤矸石)、动植物(如生活垃圾、农家秸秆)燃料弃之定为害，用之可为宝。但是，上述燃料的燃烧将产生大量的烟尘和其它有害物。高效、洁净地利用煤炭等固体燃料，是我们的必由之路。内燃机的热动效率、传热效率(燃料的化学能直接以热能的形式释放到燃气中)、机械效率较高，但不能燃用固体燃料。现有外燃机(如汽轮蒸汽机、活塞蒸汽机)可以燃用煤炭、柴草等固体燃料，但其总效率(尤其是热力效率和传热效率)太低，并且必需依靠水或其它工质参与热力循环。山上述事实可见，亟需一种可燃用煤炭等固体燃料，不需其它工质参与热力循环，总效率高，制造成本低，便于普及的先进热动机方案。
发明内容本发明的主要任务是提供一种燃料的化学能得以高效利用，热力效率超过一般的内燃机，并且可燃用各种固、液、气态燃料，不需水等其它工质参与循环，是一种燃料广谱、工质与氧化剂合-一、结构简洁、体积小、启动迅速、运行平稳、噪音低，特别是节水、高效的新型热动机。为完成上述任务，本实用新型的技术解决方案是空气工质外燃机，主要由空气过滤器(1)、气体压縮机(2)、燃烧室(3)、气体膨胀机(4)、换热器(5)等构成，空气依次流经空气过滤器(1)、气体压縮机(2)、换热器(5)、气体膨胀机(4)、燃烧室(3)，流经空气过滤器(1)过滤后的空气先被气体压缩机(2)压入换热器(5)得热升温，再由气体膨胀机(4)膨胀做功到燃烧室(3)内压强，然后进入燃烧室(3)与燃料汇合燃烧向换热器(5)内的空气逆流放热到较低温度排出。空气工质外燃机的第二个特点是气体压縮机(2)和气体膨胀机(4)均为复合涡旋式，复合涡旋式气体膨胀机(4)的动涡旋体(41)所在的压縮动盘(411)、复合涡旋式气体压缩机(2)动涡旋体(21)的膨胀动盘(211)设在位于同一平面上，膨胀动涡旋体(41)在压縮动涡旋体(21)的两侧，曲轴销孔(243)设于压縮动涡旋体(21)的中部以充分利用空间，膨胀动涡旋体(41)和压縮动涡旋体(21)都以动盘中心面为对称面轴向对称以平衡轴向压力膨胀静涡旋体(42)、压縮静涡旋体(22)分别设于膨胀动涡旋体(41)、压縮动涡旋体(21)两侧与其密切配合。空气工质外燃机的第三个特点是复合涡旋式气体膨胀机(4)的动涡旋体(41)所在的压縮动盘(411)与复合涡旋式气体压縮机(2)的动涡旋体(21)所在的膨胀动盘(211)之间用矩形花键结构(244)连接，以在径向均匀地消除热应力和热胀縮对动涡旋体(41、21)与静涡旋体(42、22)相互位置的影响，使其在大幅温变时仍能可靠地相互配合。空气工质外燃机的第四个特点是于复合涡旋式气体压縮机(2)和气体膨胀机(4)的各动静涡旋体(21、41、22、42)的横截面为梯形；其根部设半径为R的过渡圆角(A),其顶部以与其根部的过渡圆角(A)相同半径R倒圆角(B)。空气工质外燃机的第五个特点是膨胀动盘(211)周围设一组花孔(213),以减少热量的流失和高温对膨胀动涡旋体(41)位形的影响。空气工质外燃机的第六个特点是由换热器(5)金属管束的有序排列构成燃烧室(3)，其外部加设保温层、防水层和防护层，换热器(5)金属管束内的空气与燃烧室(3)内的燃气总体以逆流换热。空气工质外燃机的第七个特点是控制器(6)的传感器(61)检测换热器(5)内空气的终温升、降，通过单片机(62)运算，命令执行器(63)动作以控制燃料供应适量、适时的减、增。空气工质外燃机的气体压縮机(2)和气体膨胀机(4)也可用叶片(透平、离心)式压縮机和膨胀机，但只适用大型机，其小、微型机的效率较低，甚至无实用价值。空气工质外燃机的工作原理是空气依次流经空气过滤器(1)、气体压缩机(2)、换热器(5)、气体膨胀机(4)、燃烧室(3)，空气在流经空气过滤器(1)过滤后先被气体压縮机(2)压入换热器(5)得热升温，再由气体膨胀机(4)膨胀做功到燃烧室(3)内压强，然后进入燃烧室(3)与燃料汇合燃烧向换热器(5)内的空气逆流放热到较低温度排出。复合涡旋式气体压縮机(2)和气体膨胀机(4)在运转过程中，其动、静涡旋体相互紧密配合，形成渐缩、渐扩的月牙端面主体空间，完成使其内气体压缩、膨胀的平稳过程。由于燃气没有进入气体压縮机(2)和气体膨胀机(4)，故燃气内部的液体微滴和固体颗粒不会影响气体压縮机(2)和气体膨胀机(4)的运行。因而可燃用各种固、液、气体燃料。尽管气体膨胀机(4)膨胀做功以后的空气温度较高，但是将这较高温度的空气引入燃烧室，提高了燃气的基础温度，燃烧同量的燃料，可以得到更高的燃气温度，从而得到更大的传热温差。燃料的化学能得以充分利用。由述空气工质外燃机的结构特征和工作原理可知，无论在燃烧室(3)内燃用的是固、液或气态燃料，经过气体压縮机(2)、气体膨胀机(4)的工质——空气，都是经空气过滤器(1)过滤以后的洁净气体。经过气体膨胀机(4)膨胀做功以后较高温度的空气，又到燃烧室(3)内与燃料汇合燃烧，提高了燃气初温，热量得到充分利用。空气工质外燃机可燃用各种固、液、气态燃料，又可使燃料的化学能得以高效利用，并且不需水等其它工质参与循环。可见，空气工质外燃机是一种燃料广谱、工质与氧化剂合一、结构简洁、体积小、启动迅速、运行平稳、噪音低，特别是节水、高效的新型热动机。图1是空气工质外燃机的系统示意图；图2-1是等压加热的空气工质外燃机热力过程图；图2-2是准等容加热的空气工质外燃机热力过程图；图3是准等容加热的空气工质外燃机的动盘整体平面图；图4是准等容加热的空气工质外燃机的动盘整体实体图；图5是准等容加热的空气工质外燃机静涡旋体平面位置关系图；图6是准等容加热的空气工质外燃机动、静涡旋体工作示意图。具体实施方式根据汽油(奥托)机的工作原理，其理想热力效率为般取压縮比s,,=7，空气的热容比y=1.4，则等容加热理想热力效率化,.=0.54084345根据柴油(迪赛尔)机的工作原理，其理想热力效率为~=1-，取压縮比O-1)、=15，等压膨胀比p=3，空气的热容比y=1.4，则等压加热理想热力效率^=0.55806681。等容等压混合加热循环的理想热力效率为/7,=1-"7TF7^4t"~a，其值一般在奥托循环理想热力效率^,和迪赛尔循环理想热力效率/7,p之间。由于空气工质外燃机的特殊结构和特殊循环方式，其几种循环方案的适用场合各异，都有较大的理想热力效率。1、等压加热方案将加热过程设计为等压加热过程，根据空气工质外燃机的工作原理，膨胀以后的空气输送到燃烧室与燃料反应，可燃用固、液、气各种燃料。由工质(空气)的初温A、初压p,、压縮比&,绝热指数y，得绝热压縮后温度；=、、压强;v=、等压加热后压强3=;v=a、温度；=r3绝热膨胀后压强;v4=a、温度乙w=<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>绝热膨胀比^v-^二<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>等压膨胀比/7=<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>由图2-i矢u，等压加热总量&=^(7;-7;J，等压放热量《2="^4-7;)返回燃烧室参与等压加热，对外做功量为M^仏-《2,烟气与空气逆流换热，理想状况下排烟温度可达空气压縮后温度t;/)2，因而烟气含热量仏=、(r^-《)，故实际燃烧加热量为《=+《,=《,-&+&。热力效率7￥=<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>由^^二—ZL知，s取值越大，^p得值越越小；S^之值越接近l，T^的值越大，而气'K<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>1-4，这时热力完善度lim^-^V由^1=、/-'i^〉o知，主要受材料耐温性能控制的加热最高温度j;取值越大，；^得印j印值越越大；并有lim仏。=lim7;=0。工质热容比^=1.4，工质初温7;=293.15火3乂时，热力效率7和热力完善度ap计算值如下:序号加热后温度r3(K)压縮比fhp理想热力效率"hp热力完善度"hp1873.154.00.4154454615352260.6254244909301422873.153.00.4789858214587550.7210801207012283873.152.00.5569905010100510.8385107861326314873.151.50.6051450890991150.9110041974946415873.151.20.6388617089334220.96176224337106461073.154.00.5243872755341590.72146949325574771073.153.00.5760857941636420.79259803847014481073.152.00.6395529571419900.87991827686785491073.151.50.6787331077173670.933823634034477101073.151.20.7061660542843190.971566796352842取加热后温度7;=873.15K，绝热压縮比,=1.2，理想热力效率;^=0.63886，热力完善度V=0.96176。可见，在工作最高温度远低于汽油机和柴油机的工作最高温度，工作最高压力远低于汽油机和柴油机的工作最高压力时，空气工质外燃机的理想热力效率己经显著地大于汽油机和柴油机的理想热力效率。2、准等容加热方案所谓空气工质外燃机准等容加热方案，是指在设计制造空气工质外燃机时使工质(空气)压縮末体积流量与膨胀初体积流量相等，又因稳定工作时质量流量相等Jwm。=^^v3，故两点的比容相等即VW。VV,。根据空气工质外燃机的特点，膨胀以后的空气输送到燃烧室与燃料反应，可燃用固、液、气各种燃料。由工质(空气)的初温7;、初压a、压縮比&,、绝热指数7，空气首先经历压縮过程，然后压縮腔与换热器(5)相通，空气进入换热器(5)被等容加热，经气体膨胀机(4)膨胀对外做功之后，空气进入燃烧室(3)对燃料氧化并对换热器(5)内的压縮空气放热，最后排出。由图2-2矢b，空气经压縮机(2)以压縮比^,绝热压縮后的温度7;^="/—'r,，压强Av2。比容、,.2。设换热器(5)内空气被加热空间比容、。、压强A。；vAv2。、相通之后，压强较高;^。的空气、。绝热压回压强较低A,,2。的、2。内，二部分空气均有相应的变化压强Av2。升高、/^。=/^降低变为统一的A";比容V,^缩小为,2，"U4,)/2扩大为，但总容积2]柳未变；温度7;^升高为7;v2，r2。+7;、.2;)/2降低为j;,。设压縮腔内空气质量为w，换热器内空气质量为M,换热器内空气由温度7;.2被加热到7;，则得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>又根据<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>，由以上各式解出工质空气的内压縮过程瞬间完成后，刚进入换热器(5)内工质空气的压强p^、比容v^、温度42及换热器(5)内原工质空气的压强A。、比容、'21、温度7^,分别为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>山于在换热器(5)中的空气质量远大于压縮腔一次压縮的空气质量压縮完毕压縮腔与换热器(5)相通后，压强/^,2=&2。=^^3(其中与换热器(5)的内容空气质量比有关的系数^<1),<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>附，所以一次压缩空气质量和温度<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>刚进入换热器(5)至ljM;2状态点后的工质空气，在换热器(5)内所有工质空气等容加热至=/V"温度Kw=<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>，压縮机(2)与膨胀机(4)等质量流量地向换热器(5)加入、取出工质空气，因此尔后工质空气在换热器(5)内为有压强、温度波动的逆流等压加热过程/n;26/n;3。Zv2与/v3两点不变状态的推动功，得失大小相等。本发明的次一目的，在提供一种引擎冷却机构，其主要是于引擎的汽缸头周缘设有数个呈间隔设置的散热片，且散热片的下端部与排气埠的周缘并未相连而形成有一散热通道，其中，该散热片的长度由上而下是沿着排气埠而呈渐增状，藉此，所形成的散热通道可供冷却风沿着排气埠顺利的将热气予以排出，以达到冷却散热的目的。本发明的一种引擎冷却机构，该引擎的汽缸头周缘设有数个呈间隔设置的散热片，且汽缸头具有一进气埠及排气埠，其特征在于该散热片的下端部与排气埠的周缘间形成一散热通道，藉此，当冷却风在通过散热片之间的间隙时，可将热气经由散热通道带走，提升冷却散热的功效，来提高汽缸头整体的散热效果，以避免散热温度不均造成机件的变形。综上所述，本发明的引擎冷却机构，藉由于散热片2l的下端部与排气埠22的周缘间形成有一散热通道3，当冷却风在通过散热片21之间的间隙212时，可将热气经由散热通道3带走，以提升冷却散热的功效，来达到汽缸头2的散热效果，以避免散热温度不均造成机件的变形，而可改善习知气冷式引擎的缺失。图l是习知气冷式引擎的示意图。图2是习知气冷式引擎的局部剖视示意图。图3是习的汽缸头的立体示意图。图4是习知汽缸头冷却风路径的示意图。图5是本发明汽缸头的立体示意图。图6是本发明汽缸头冷却风路径的示意图。具体实施方式为能更易于了解本发明的结构及所能达成的功效，兹配合图式说明如后首先，本发明的引擎冷却机构，主要是由引擎动力系统以及一通过引擎动力系统的冷却风罩所组成，此一部份与习知相同，故不再赘述。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>工质热容比^=1.4，工质初温《=293.15〖，热力效率7/^和热力完善度iv计算值如下<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>取加热后温度r,=873.15K，绝热压縮比q.=1.2，1=0.65351,"Av=0.98381。可见，准等容加热时空气工质外燃机有更高的理想热力效率和热力完善度。这是一个非常重要的结果。这一r3、r,为高、低温热源的热力系统，不断地将在低温热源的放热输送到燃烧室，提高了燃烧的基础温度，从而在不受燃料种类限制的情况下，大幅提高了热力效率和热力完善度。3、无回热方案该方案可用于发动机尾气的热能回收动力转化利用。这时燃气具有一定可利用的温度，但不可再加燃料或空气燃烧加热。经空气过滤器(1)过滤的空气到气体压縮机(2)压縮，然后到换热器(5)被发动机尾气等热源加热，再到气体膨胀机(4)膨胀对外做功。热量平衡工质气体从燃气获得热量Q=MCp(7;-7;)=/Cv(7;-r2)单位工质功量w=q(r3—r2)—Cp(r4—r,)=^s(z;—7;)—C/3(r4—r,)设定工质初温及最高温度<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>由于在绝热过程中故有r,=<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>极大值总效率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>极大值得热效率//,=<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>无回热方案总效率不高，但这是在完全利用废热，无需任何附加能量时的最佳方案，故仍适用在许多场合，如中、重型汽车的发动机尾气的热能回收动力转化利用。空气工质外燃机还可以有其它热力循环方案，其主要特点是气体膨胀做功后的热量返回燃烧室(3)得以复用，都可以依据具体使用条件得到较大的热力效率和热力完善度。在一般固、液、气燃料供应的场合，使用等压加热方案或准等容加热方案；在发动机尾气的热能回收动力转化利用等场合，须使用无回热方案。权利要求1.空气工质外燃机，主要由空气过滤器(1)、气体压缩机(2)、燃烧室(3)、气体膨胀机(4)、换热器(5)、控制器(6)等构成，空气依次流经空气过滤器(1)、气体压缩机(2)、换热器(5)、气体膨胀机(4)、燃烧室(3),流经过滤器(1)过滤后的空气先被气体压缩机(2)压入换热器(5)得热升温，再由气体膨胀机(4)膨胀做功到燃烧室(3)内压强，然后进入燃烧室(3)与燃料汇合燃烧向换热器(5)内的空气逆流放热到较低温度排出，因而燃料的化学能得以高效利用，热力效率超过一般的内燃机，并且可燃用各种固、液、气态燃料，不需水等其它工质参与循环，是一种燃料广语、工质与氧化剂合一、结构筒洁、体积小、启动迅速、运行平稳、噪音低，特别是节水，大、中、小、微型机均可高效运转的新型热动机。2.根据权利要求1所述空气工质外燃机，其特征在于气体压缩机(2)和气体膨胀机(4)均为复合涡旋式，复合涡旋式气体膨胀机(4)的动涡旋体(41)所在的膨胀动盘(411)、复合涡旋式气体压缩机(2)动涡旋体(21)的压缩动盘(211)设在位于同一平面上，膨胀动涡旋体(41)在压缩动涡旋体(21)的两侧，曲轴销孔(243)设于压缩动涡旋体(21)的中部以充分利用空间，膨胀动涡旋体(41)和压缩动涡旋体(21)都以动盘中心面为对称面轴向对称以平衡轴向压力；膨胀静涡旋体(42)、压缩静涡旋体(22)分别设于膨胀动涡旋体(41)、压缩动涡旋体(21)两侧与其密切配合。3.根据权利要求2所述空气工质外燃机，其特征在于复合涡旋式气体膨胀机(4)的动涡旋体(41)所在的压缩动盘(411)与复合涡旋式气体压缩机(2)的动涡旋体(21)所在的膨胀动盘(211)之间用矩形花键结构(244)连接，以在径向均匀地消除热应力和热胀缩对动涡旋体(41、21)与静渴旋体(42、22)相互位置的影响，使其在大幅温变时仍能可靠地相互配合。4.根据权利要求2所述空气工质外燃机，其特征在于复合涡旋式气体压缩机(2)和气体膨胀机(4)的各动静涡旋体(21、41、22、42)的横截面为梯形；其根部设半径为R的过渡圆角(A),其顶部以与其根部的过渡圓角(A)相同半径R倒圓角(B)。5.根据权利要求2所述空气工质外燃机，其特征在于膨胀动盘(211)周围设一组花孔(213),以减少热量的流失和高温对膨胀动涡旋体(41)位形的影响。6.根据权利要求1所述空气工质外燃机，其特征在于由换热器(5)金属管束的有序排列构成燃烧室(3),其外部加设保温层、防水层和防护层，换热器(5)金属管束内的空气与燃烧室(3)内的燃气总体以逆流换热。7.根据权利要求1所述空气工质外燃机，其特征在于控制器(6)的传感器"l)检测换热器(5)内空气的终温升、降，通过单片机(62)运算，命令执行器(63)动作以控制燃料供应适量、适时的减、增。全文摘要空气工质外燃机，主要由空气过滤器、复合涡旋式气体压缩机和膨胀机、燃烧室、换热器、控制器等构成，利用复合涡旋机高效的气体压缩、膨胀作用，使过滤后的空气先被压入换热器得热升温，再膨胀做功到燃烧室内压强，然后进入燃烧室与燃料汇合燃烧向换热器内的空气逆流放热到较低温度，控制器检测换热器内空气的终温升、降，控制燃料供应适量、适时的减、增，因而燃料的化学能得以高效利用，热力效率超过一般的内燃机，并且可燃用各种固、液、气燃料，不需水等其它工质参与循环，是一种燃料广谱、工质与氧化剂合一、结构简洁、体积小、启动迅速、运行平稳、噪音低，特别是节水，大、中、小、微型机均可高效运转的新型、先进的热动机。文档编号F02G1/00GK101122265SQ200610048550公开日2008年2月13日申请日期2006年8月7日优先权日2006年8月7日发明者吕孟让,吕泽中申请人:吕孟让