專利名稱：渦輪氣缸低熵發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及熱能與動力領域，尤其是一種渦輪氣缸低熵發(fā)動機。
背景技術：
渦輪增壓技術已有近百年的歷史，渦輪具有體積小、重量輕、流量大的優(yōu)勢，然而至今為止的渦輪與活塞式內燃機之間的配合還一直停止在渦輪增壓的水平。渦輪增壓發(fā)動機是利用渦輪對空氣進行增壓，增壓后的空氣仍然需要在氣缸內進行壓縮，這種方式雖然比非增壓具有一定的優(yōu)勢，但是由于活塞式內燃機仍然需要壓縮沖程，所以無論是體積、升功率還是效率均受限制。因此，需要發(fā)明一種充分發(fā)揮渦輪和活塞各自優(yōu)勢的發(fā)動機。
發(fā)明內容為了解決上述問題，本發(fā)明提出的技術方案如下一種渦輪氣缸低熵發(fā)動機，包括進氣道、排氣道、爆排發(fā)動機、渦輪壓氣機和動力渦輪，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口與所述進氣道連通，所述進氣道經(jīng)進氣門與所述爆排發(fā)動機的燃燒室連通，所述燃燒室經(jīng)排氣門與所述排氣道連通，所述排氣道與所述動力渦輪的氣體工質入口連通，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口處的承壓能力大于IMPa，所述動力渦輪對所述渦輪壓氣機輸出動力。所述爆排發(fā)動機由連續(xù)燃燒室和作功機構連接構成。一種渦輪氣缸低熵發(fā)動機，包括進氣道、排氣道、短壓程充氣發(fā)動機、渦輪壓氣機和動力渦輪，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口與所述進氣道連通，所述進氣道經(jīng)進氣門與所述短壓程充氣發(fā)動機的燃燒室連通，所述燃燒室經(jīng)排氣門與所述排氣道連通，所述排氣道與所述動力渦輪的氣體工質入口連通，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口處的承壓能力大于IMPa，所述動力渦輪對所述渦輪壓氣機輸出動力。所述短壓程充氣發(fā)動機設為絕熱發(fā)動機。所述短壓程充氣發(fā)動機在壓縮沖程中容積減小的絕對量小于膨脹作功沖程中容積增加絕對量的二分之一。一種渦輪氣缸低熵發(fā)動機，包括進氣道、排氣道、全壓程發(fā)動機、渦輪壓氣機和動力渦輪，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口與所述進氣道連通，所述進氣道經(jīng)進氣門與所述全壓程發(fā)動機的燃燒室連通，所述燃燒室經(jīng)排氣門與所述排氣道連通，所述排氣道與所述動力渦輪的氣體工質入口連通，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口處的承壓能力大于IMPa， 所述動力渦輪對所述渦輪壓氣機輸出動力。所述全壓程發(fā)動機的壓縮比小于12。在所述進氣道上設進氣降溫器，和/或在所述排氣道上設排氣降溫器。所述進氣降溫器設為混合式進氣降溫器，和/或所述排氣降溫器設為混合式排氣降溫器。所述渦輪壓氣機設為多級渦輪壓氣機，和/或所述動力渦輪設為多級動力渦輪。[0014]所述渦輪壓氣機設為由多個單級渦輪壓氣機組成的多段渦輪壓氣機，所述動力渦輪設為由多個單級動力渦輪組成的多段動力渦輪。所述多段渦輪壓氣機中的單級渦輪壓氣機與所述多段動力渦輪中的單級動力渦輪每段一一對應同軸設置。所述多段渦輪壓氣機中的第一個單級渦輪壓氣機與所述多段動力渦輪中的第一個單級動力渦輪以外的一個單級動力渦輪同軸設置。所述排氣道經(jīng)排氣道旁通管與所述多段動力渦輪中的第一個單級動力渦輪以外的單級動力渦輪連通。在所述渦輪壓氣機上設渦輪排熱器。所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機還包括膨脹器和深冷二氧化碳儲罐，所述動力渦輪的氣體出口與所述膨脹器的氣體入口連通，所述膨脹器的液體出口與所述深冷二氧化碳儲罐連通，在所述膨脹器上設不凝氣體出口，在所述進氣道上設進氣降溫器，所述不凝氣體出口與所述進氣降溫器的冷流體入口連通。所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機還包括深冷二氧化碳儲罐、排氣深冷器和液氧儲罐，所述動力渦輪的氣體出口與所述排氣深冷器連通，所述排氣深冷器的液體出口與所述深冷二氧化碳儲罐連通，所述液氧儲罐與所述排氣深冷器連通，在所述排氣深冷器上設含氧氣體出口，所述含氧氣體出口與所述渦輪壓氣機的氣體入口連通。在所述渦輪壓氣機、所述進氣道、所述燃燒室、所述排氣道、所述動力渦輪和所述排氣深冷器所形成的流體流動空間內充入氦氣，氦氣作為不凝氣周而復始參與循環(huán)。所述排氣道經(jīng)射流泵與所述動力渦輪的氣體工質入口連通。所述動力渦輪的氣體工質出口經(jīng)排氣回流管與所述射流泵的射流泵低壓氣體入 □連通。一種提高所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機效率和環(huán)保性的方法，調整即將開始作功的氣體工質的壓力到15MI^以上，調整即將開始作功的氣體工質的溫度到2700K以下，使即將開始作功的氣體工質的溫度和壓力符合類絕熱關系。一種提高所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機效率和環(huán)保性的方法，第一步，調整所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口處的承壓能力為1. 2MPa、l. 4MPa、 1.6MPa、l.8MPa、2MPa、2.2MPa、2.4MPa、2. 6MPa、2. 8MPa、3MPa、3. 2MPa、3. 4MPa、3. 6MPa、 3. 8MPa、4MPa、4. 2MPa、4. 4MPa、4. 6MPa、4. 8MPa 或 5MPa ；第二步，調整所述渦輪壓氣機的級數(shù)以及單級壓比，使所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口處的氣體壓力等于所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口處的承壓能力。所述多段渦輪壓氣機中的第一個單級渦輪壓氣機與所述多段動力渦輪中的第一個單級動力渦輪同軸設置，所述多段渦輪壓氣機中的第二個單級渦輪壓氣機與所述多段動力渦輪中的第二個單級所述動力渦輪同軸設置，依此類推。本發(fā)明中，在設所述爆排發(fā)動機的結構中，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口處的承壓能力可大于 1. 5MPa、2MPa、2. 5MPa、3MPa、3. 5MPa、4MPa、4. 5MPa、5MPa、5. 5MPa、6MPa、 6.5MPa、7MPa、7. 5MPa、8MPa、8. 5MPa、9MPa、9. 5MPa、lOMPa、10. 5MPa、llMPa、ll. 5MPa、12MPa、 12. 5MPa、13MPa、13. 5MPa、14MPa、14. 5MPa或15MPa，相應地，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口處的壓縮氣體的壓力可大于 1. 5MPa、2MPa、2. 5MPa、3MPa、3. 5MPa、4MPa、4. 5MPa、5MPa、5. 5MPa、6MPa、6. 5MPa、7MPa、7. 5MPa、8MPa、8. 5MPa、9MPa、9. 5MPa、lOMPa、10. 5MPa、llMPa、
11.5MPa、12MPa、12. 5MPa、13MPa、13. 5MPa、14MPa、14. 5MPa 或 15MPa，本發(fā)明中，在設所述短壓程充氣發(fā)動機的結構中，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口 處的承壓能力可大于 1. 5MPa、2MPa、2. 5MPa、3MPa、3. 5MPa、4MPa、4. 5MPa、5MPa、5. 5MPa、 6MPa、6. 5MPa、7MPa、7. 5MPa、8MPa、8. 5MPa、9MPa、9. 5MPa、lOMPa、10. 5MPa、llMPa、11. 5MPa、 12MPa、12. 5MPa、13MPa、13. 5MPa、14MPa、14. 5MPa 或 15MPa，相應地，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口處的壓縮氣體的壓力可大于1. 5MPa、2MPa、2. 5MPa、3MPa、3. 5MPa、4MPa、4. 5MPa、 5MPa、5. 5MPa、6MPa、6. 5MPa、7MPa、7. 5MPa、8MPa、8. 5MPa、9MPa、9. 5MPa、lOMPa、10. 5MPa、 1 IMPaU 1. 5MPa、12MPa、12. 5MPa、13MPa、13. 5MPa、14MPa、14. 5MPa 或 15MPa。本發(fā)明中，在設所述全壓程發(fā)動機的結構中，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口處的承壓能力可大于 1. 5MPa、2MPa、2. 5MPa、3MPa、3. 5MPa、4MPa、4. 5MPa、5MPa、5. 5MPa、6MPa、 6.5MPa、7MPa、7. 5MPa、8MPa、8. 5MPa、9MPa、9. 5MPa、lOMPa、10. 5MPa、llMPa、11. 5MPa、12MPa、
12.5MPa、13MPa、13. 5MPa、14MPa、14. 5MPa或15MPa，相應地，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出 口處的壓縮氣體的壓力可大于 1. 5MPa、2MPa、2. 5MPa、3MPa、3. 5MPa、4MPa、4. 5MPa、5MPa、 5. 5MPa、6MPa、6. 5MPa、7MPa、7. 5MPa、8MPa、8. 5MPa、9MPa、9. 5MPa、lOMPa、10. 5MPa、llMPa、 11. 5MPa、12MPa、12. 5MPa、13MPa、13. 5MPa、14MPa、14. 5MPa 或 15MPa。本發(fā)明中，所述全壓程發(fā)動機的壓縮比小于11、10、9、8、7、6、5、4、3或小于2。本發(fā)明的原理是利用所述渦輪壓氣機將所述低壓氣源(所謂的低壓氣源是指大氣或低壓含氧氣體或低壓非含氧氣體，在所述低壓氣體源設為低壓非含氧氣體的結構中，需要在所述渦輪壓氣機的出口至所述燃燒室的某個部位上設氧化劑導入口)內的氣體壓縮到等于或高于傳統(tǒng)內燃機壓縮沖程完了時氣缸內的壓力，將此高壓氣體導入所述燃燒室內， 在所述燃燒室內不再進行壓縮就進行燃燒推動活塞對外作功，作功完了后氣缸內的氣體被排出氣缸作用于所述動力渦輪，使所述動力渦輪對所述壓氣機作功；或者利用所述渦輪壓氣機將所述低壓氣源內的氣體壓縮到大于傳統(tǒng)增壓內燃機的壓氣渦輪出口處的壓力，在所述短壓程充氣發(fā)動機處于排氣沖程完了前的排氣沖程中將此高壓氣體導入所述短壓程充氣發(fā)動機的燃燒室內，在所述燃燒室內只進行部分壓縮沖程就進行燃燒推動活塞對外作功，作功完了后氣缸內的氣體被排出氣缸作用于所述動力渦輪，使所述動力渦輪對所述壓氣機作功；或者利用所述渦輪壓氣機將所述低壓氣源內的氣體壓縮到大于傳統(tǒng)增壓內燃機的壓氣渦輪出口處的壓力，在所述全壓程發(fā)動機處于吸氣沖程時將此高壓氣體導入所述全壓程發(fā)動機的燃燒室內，在所述燃燒室內進行全壓縮沖程后進行燃燒推動活塞對外作功， 作功完了后氣缸內的氣體被排出氣缸作用于所述動力渦輪，使所述動力渦輪對所述壓氣機作功。本發(fā)明中，由于所述壓氣渦輪對氣體的壓縮力度較高，所以需要所述動力渦輪具有更高的功率輸出能力，為了這一要求，可以采用高壓排氣的方式，所謂高壓排氣是指在氣缸壓力相對較高時(即高于傳統(tǒng)發(fā)動機排氣沖程開始時的氣缸內的壓力)打開排氣門進行排氣，也可以利用排氣沖程中活塞上行對排氣作功以提升動力渦輪的工質入口的壓力，提高所述動力渦輪輸出動力的能力。本發(fā)明中，所謂的短壓程充氣發(fā)動機是指沒有獨立的吸氣沖程，排氣過程、吸氣過程和壓縮過程共用一個沖程，即掃氣壓氣沖程，壓縮沖程中容積變化的量小于膨脹作功沖程中容積變化的量的活塞式發(fā)動機；所述渦輪壓氣機出口處的氣體壓力越高，壓縮過程占一個沖程的長度的份額可以越小，這也意味著更加充分地利用了渦輪壓氣機的壓氣優(yōu)勢。本發(fā)明中，所謂的全壓程發(fā)動機是指在忽略因未增加進氣量而采取的進排氣門重疊角的影響(在設有掃氣進氣口和/或掃氣排氣口的發(fā)動機中，同理忽略掃氣進氣口和掃氣排氣口單一開通時間的影響，即掃氣排氣口先開先關，掃氣進氣口后開后關的影響)的前提下，壓縮沖程的容積變化和膨脹作功沖程中的容積變化相等或基本接近的活塞發(fā)動機， 例如二沖程發(fā)動機、四沖程發(fā)動機等。本發(fā)明中，為了盡可能的提高發(fā)動機的效率，可以使所述渦輪壓氣機在恒溫或近似恒溫條件下對氣體進行壓縮，被壓縮的氣體導入所述短壓程充氣發(fā)動機后在所述短壓程充氣發(fā)動機內進行絕熱壓縮，在絕熱壓縮后利用燃料進行內燃加熱，然后進行絕熱或近似絕熱膨脹作功；圖18是描述這一過程中壓力P和溫度T關系的示意圖，圖18中，O-A所示線段(可以是直線也可以是曲線)為在所述渦輪壓氣機內的恒溫或近似恒溫壓縮過程，A-B所示曲線是在所述短壓程充氣發(fā)動機內的絕熱或近似絕熱壓縮過程，B-C所示線段(可以是直線也可以是曲線)為在所述短壓程充氣發(fā)動機內的恒容或近似恒容內燃燃燒加熱過程，C-O 所示曲線是在所述短壓程充氣發(fā)動機內的絕熱或近似絕熱膨脹作功過程。在此圖中，如果 C-O所示曲線與自起點0 (例如大氣狀態(tài)點)進行絕熱或近似絕熱壓縮所得到的O-H曲線相重合，則表示經(jīng)過一個循環(huán)后溫度壓力均回到起始狀態(tài)，這說明燃燒過程燃料所放出的熱能全部或近乎全部轉化為功。本發(fā)明中，可以統(tǒng)籌調整O-A過程、A-B過程和B-C過程，使自狀態(tài)點C進行絕熱或近似絕熱膨脹作功后的狀態(tài)點在O-H所示曲線上或在O-H所示曲線左側，或者即使在O-H曲線右側但盡可能靠近O-H所示曲線，這樣就可以有效地提高發(fā)動機的效率。本發(fā)明中，如本段所述將壓縮過程分為兩段，第一段為恒溫壓縮，第二段為絕熱壓縮，其目的是在盡可能減少壓縮功的前提下，又盡可能的使工質保持一定的溫升，這樣就實現(xiàn)了在壓縮過程功耗較小的前提下，燃燒之前工質又具有一定溫度，從而減少內燃加熱過程中的不可逆損失。本發(fā)明中，所謂的“所述短壓程充氣發(fā)動機在壓縮沖程中容積減小的絕對量小于膨脹作功沖程中容積增加絕對量的二分之一”是指從壓縮沖程開始到壓縮沖程完了氣體體積減小的量小于整個膨脹作功沖程中氣體體積增加量的二分之一。本發(fā)明所公開的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，在某些技術方案中，可以有吸氣沖程。本發(fā)明中，所謂的射流泵是指通過動力流體引射非動力流體，兩流體相互作用從一個出口排出的裝置，所謂的射流泵可以是氣體射流泵(即噴射泵)，也可以是液體射流泵； 所謂的射流泵可以是傳統(tǒng)射流泵，也可以是非傳統(tǒng)射流泵。本發(fā)明中，所謂的傳統(tǒng)射流泵是指由兩個套裝設置的管構成的，向內管提供高壓動力氣體，內管高壓動力氣體在外管內噴射，在內管高壓動力氣體噴射和外管的共同作用下使內外管之間的其他氣體(從外管進入的氣體)沿內管高壓動力氣體的噴射方向產(chǎn)生運動的裝置；所謂射流泵的外管可以有縮擴區(qū)，外管可以設為文丘里管，內管噴嘴可以設為拉瓦爾噴管，所謂的縮擴區(qū)是指外管內截面面積發(fā)生變化的區(qū)域；所述射流泵至少有三個接口或稱通道，即射流泵動力氣體噴射口、射流泵低壓氣體入口和射流泵氣體出口。本發(fā)明中，所謂的非傳統(tǒng)射流泵是指由兩個或兩個以上相互套裝設置或相互并列設置的管構成的，其中至少一個管與動力氣體源連通，并且動力氣體源中的動力氣體的流動能夠引起其他管中的氣體產(chǎn)生定向流動的裝置；所謂射流泵的管可以有縮擴區(qū)，可以設為文丘里管，管的噴嘴可以設為拉瓦爾噴管，所謂的縮擴區(qū)是指管內截面面積發(fā)生變化的區(qū)域；所述射流泵至少有三個接口或稱通道，即射流泵動力氣體噴射口、射流泵低壓氣體入口和射流泵氣體出口 ；所述射流泵可以包括多個射流泵動力氣體噴射口，在包括多個射流泵動力氣體噴射口的結構中，所述射流泵動力氣體噴射口可以布置在所述射流泵低壓氣體入口的管道中心區(qū)，也可以布置在所述射流泵低壓氣體入口的管道壁附近，所述射流泵動力氣體噴射口也可以是環(huán)繞所述射流泵低壓氣體入口管道壁的環(huán)形噴射口。本發(fā)明中，所述射流泵包括多級射流泵，多股射流泵和脈沖射流泵等。為了進一步提高效率，在本發(fā)明中，在進氣道上設置了進氣降溫器。本發(fā)明中，為了降低通過所述動力渦輪后的排氣溫度有利于排氣液化，在排氣道上設置了排氣降溫器；如果需要大幅度降低通過渦輪后的排氣溫度，可以采用高壓排氣的方式，所謂高壓排氣是指在氣缸壓力相對較高時(即高于傳統(tǒng)發(fā)動機排氣沖程開始時的氣缸內的壓力)打開排氣門進行排氣，也可以利用排氣沖程中活塞上行對排氣作功以提升動力渦輪的工質入口的壓力，實現(xiàn)更大的膨脹比從而降低排氣溫度。本發(fā)明中，圖19是氣體工質的溫度T和壓力P的關系圖，O-A-H所示曲線是通過狀態(tài)參數(shù)為^SK和0. IMPa的0點的氣體工質絕熱關系曲線；B點為氣體工質的實際狀態(tài)點，E-B-D所示曲線是通過B點的絕熱關系曲線，A點和B點的壓力相同；F-G所示曲線是通過^OOK和IOMPa (即目前內燃機中即將開始作功的氣體工質的狀態(tài)點)的工質絕熱關系曲線。本發(fā)明中，圖19屮的p = crfi中的是氣體工質絕熱指數(shù)，ρ是氣體工質的壓力，Γ是氣體工質的溫度是常數(shù)。本發(fā)明中，所謂的類絕熱關系包括下列三種情況1.氣體工質的狀態(tài)參數(shù)(即工質的溫度和壓力)點在所述工質絕熱關系曲線上，即氣體工質的狀態(tài)參數(shù)點在圖19中 O-A-H所示曲線上；2.氣體工質的狀態(tài)參數(shù)(即工質的溫度和壓力)點在所述工質絕熱關系曲線左側，即氣體工質的狀態(tài)參數(shù)點在圖19中O-A-H所示曲線的左側；3.氣體工質的狀態(tài)參數(shù)(即工質的溫度和壓力)點在所述工質絕熱關系曲線右側，即氣體工質的狀態(tài)參數(shù)點在圖19中O-A-H所示曲線的右側，但是氣體工質的溫度不高于由此氣體工質的壓力按絕熱關系計算所得溫度加1000K的和、加950K的和、加900K的和、加850K的和、加800K的和、加 750K的和、加700K的和、加650K的和、加600K的和、加550K的和、加500K的和、加450K的和、加400K的和、加350K的和、加300K的和、加250K的和、加200K的和、加190K的和、加 180K的和、加170K的和、加160K的和、加150K的和、加140K的和、加130K的和、加120K的和、加IlOK的和、加100K的和、加90K的和、加80K的和、加70K的和、加60K的和、加50K的和、加40K的和、加30K的和或不高于加20K的和，即如圖19所示，所述氣體工質的實際狀態(tài)點為B點，A點是壓力與B點相同的絕熱關系曲線上的點，A點和B點之間的溫差應小于 1000K、950K、900K、850K、800K、750K、700K、650K、600K、550K、500K、450K、400K、350K、300K、 250Κ、200Κ、190Κ、180Κ、170Κ、160Κ、150Κ、140Κ、130Κ、120Κ、110Κ、100K、90K、80K、70K、60K、 50Κ、40Κ、30Κ 或小于 20Κ。本發(fā)明中，所謂類絕熱關系可以是上述三種情況中的任何一種，也就是指即將開始作功的氣體工質的狀態(tài)參數(shù)(即氣體工質的溫度和壓力)點在如圖19所示的通過B點的絕熱過程曲線E-B-D的左側區(qū)域內。本發(fā)明中，所謂的即將開始作功的氣體工質是指在作功沖程(或作功過程)即將開始時自身即將開始膨脹推動作功機構作功的氣體工質。本發(fā)明中，將即將開始作功的氣體工質的狀態(tài)參數(shù)(即氣體工質的溫度和壓力)符合類絕熱關系的發(fā)動機系統(tǒng)(即熱動力系統(tǒng))定義為低熵發(fā)動機。本發(fā)明中，調整噴入所述燃燒室的燃油的量，進而調整即將開始作功的氣體工質的壓力到15MPa以上，調整即將開始作功的氣體工質的溫度到2700K以下，使即將開始作功的氣體工質的溫度和壓力符合類絕熱關系。本發(fā)明中所謂的爆排發(fā)動機是指只有爆炸作功沖程和排氣沖程的發(fā)動機，這種發(fā)動機將預先壓縮好的低壓氣源的氣體充入燃燒室，在燃燒室內不再進行壓縮就進行燃燒爆炸，這種發(fā)動機是只進行爆炸作功沖程和排氣沖程的活塞式熱動力系統(tǒng)以及轉子活塞式熱動力系統(tǒng)，為使這種發(fā)動機正常工作需要在進氣中加入燃料或在燃燒室中噴射燃料，根據(jù)燃料不同，可以采用點燃或噴射后自燃的形式(相當于傳統(tǒng)發(fā)動機的壓燃)；所謂的排氣深冷器是指能夠使排氣深度冷卻達到液化或部分液化的裝置；所謂的膨脹器是將排氣膨脹降溫的裝置，可以是節(jié)流膨脹器，也可以是膨脹動力單元，在節(jié)流膨脹器中排氣節(jié)流膨脹降溫，在膨脹動力單元中排氣膨脹作功降溫；所謂的排氣降溫器是指對排氣進行降溫的裝置， 可以是散熱器，也可以是以排氣降溫為目的的熱交換器，還可以是將溫度較低的流體與排氣進行混合的混合式排氣降溫器，所謂的混合式排氣降溫器是指將排氣和低溫流體直接混合進行傳熱的降溫器，其本質是一個容器，在此容器中排氣和低溫流體進行混合，為了增加混合的均勻度，在此容器中可設導流結構、攪拌機構或射流結構；所謂進氣降溫器是指將進氣進行降溫的裝置，同排氣降溫器；所謂的渦輪壓氣機是指利用旋轉葉片或旋轉通道對氣體進行壓縮的機構，它可以是單級的、多級的，也可以是多個單級或多個多級組合而成；所謂動力渦輪是指利用排氣推動葉片或通道旋轉對外作功的機構；所謂多段是指多個渦輪壓氣機串聯(lián)或多個動力渦輪串聯(lián)；所謂第一個單級和第二個單級的排列順序是以離開燃燒室遠近為依據(jù)的，距離燃燒室近的為第一級，次之為第二級，依此類推；所謂的深冷二氧化碳是指二氧化碳被冷卻到液化和/或固化的程度；所謂的低壓氣源是指可以提供空氣、低壓氧氣或低壓含氧氣體或低壓非含氧氣體的系統(tǒng)，例如發(fā)動機的進氣系統(tǒng)等。本發(fā)明中所謂的渦輪排熱器是指能夠將所述渦輪壓氣機內的被壓縮氣體中的熱量散出的熱交換器。本發(fā)明中，在設有所述深冷二氧化碳儲罐的結構中，在排氣系統(tǒng)存在冷凝水的部位上可設置冷凝水導出口。本發(fā)明中所謂連通是指直接連通、經(jīng)過若干過程(包括與其他物質混合等)的間接連通或經(jīng)泵、控制閥等受控連通。本發(fā)明中，根據(jù)熱能與動力領域的公知技術，可在適當?shù)奈恢迷O置泵、控制閥、正時控制閥、噴油器或火花塞等部件、單元或系統(tǒng)；一個所述渦輪壓氣機可以與兩個或多個作功機構的燃燒室連通，所述作功機構的燃燒室是指所述爆排發(fā)動機的燃燒室和所述短壓程充氣發(fā)動機的燃燒室。本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明實現(xiàn)了發(fā)動機的高效、低污染，大大提高了發(fā)動機的環(huán)保性。

[0057]圖1為本發(fā)明實施例1的結構示意圖；圖2為本發(fā)明實施例2的結構示意圖；圖3為本發(fā)明實施例3的結構示意圖；圖4為本發(fā)明實施例4的結構示意圖；圖5為本發(fā)明實施例5的結構示意圖；圖6為本發(fā)明實施例6的結構示意圖；圖7為本發(fā)明實施例7的結構示意圖；圖8為本發(fā)明實施例8的結構示意圖；圖9為本發(fā)明實施例9的結構示意圖；圖10為本發(fā)明實施例10的結構示意圖；圖11為本發(fā)明實施例11的結構示意圖；圖12為本發(fā)明實施例12的結構示意圖；圖13為本發(fā)明實施例13的結構示意圖；圖14為本發(fā)明實施例14的結構示意圖；圖15為本發(fā)明實施例15的結構示意圖；圖16為本發(fā)明實施例16的結構示意圖；圖17為本發(fā)明實施例17的結構示意圖；圖18為本發(fā)明短壓程充氣發(fā)動機的壓力P和溫度T關系的示意圖；圖19是氣體工質的溫度T和壓力P的三條絕熱關系曲線比較圖；圖20為本發(fā)明實施例18的結構示意圖；圖中1進氣道、2排氣道、3爆排發(fā)動機、4渦輪壓氣機、5動力渦輪、6低壓氣源、7進氣門、8排氣門、10深冷二氧化碳儲罐、11排氣深冷器、50膨脹器、61液氧儲罐、90排氣道旁通管、91射流泵、92排氣回流管、100進氣降溫器、200排氣降溫器、301燃燒室、333短壓程充氣發(fā)動機、400多級渦輪壓氣機、401多段渦輪壓氣機、402渦輪排熱器、500多級動力渦輪、 501多段動力渦輪、555全壓程發(fā)動機、511不凝氣體出口、1101含氧氣體出口、1111連續(xù)燃燒室、4444作功機構、1001混合式進氣降溫器、2001混合式排氣降溫器。
具體實施方式
實施例1如圖1所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，包括進氣道1、排氣道2、爆排發(fā)動機3、渦輪壓氣機4和動力渦輪5，所述渦輪壓氣機4的氣體入口與低壓氣源6連通，所述渦輪壓氣機4 的壓縮氣體出口與所述進氣道1連通，所述進氣道1經(jīng)進氣門7與所述爆排發(fā)動機3的燃燒室301連通，所述燃燒室301經(jīng)排氣門8與所述排氣道2連通，所述排氣道2與所述動力渦輪5的氣體工質入口連通，所述渦輪壓氣機4的壓縮氣體出口處的承壓能力為IMPa，所述動力渦輪5對所述渦輪壓氣機4輸出動力?？蛇x擇地，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口處的承壓能力還可以是大于1.5MPa、 2MPa、2. 5MPa、3MPa、3. 5MPa、4MPa、4. 5MPa、5MPa、5. 5MPa、6MPa、6. 5MPa、7MPa、7. 5MPa、8MPa、 8. 5MPa、9MPa、9. 5MPa、lOMPa、10. 5MPa、1IMPa、11. 5MPa、12MPa、12. 5MPa、13MPa、13. 5MPa、14MPa、14. 5MPa 或 15MPa。為了提高權利所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機效率和環(huán)保性，調整即將開始作功的氣體工質的壓力到20MPa，調整即將開始作功的氣體工質的溫度到2000K，使即將開始作功的氣體工質的溫度和壓力符合類絕熱關系?？蛇x擇地，所述氣體工質的壓力還可以是15MPa以上，所述氣體工質的溫度到還可以為2700K以下，使即將開始作功的氣體工質的溫度和壓力符合類絕熱關系。實施例2如圖2所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其與實施例1的區(qū)別在于所述渦輪壓氣機4 的氣體入口與大氣連通，在所述進氣道1上設進氣降溫器100。這樣設置的目的是為了進一步提高所述渦輪壓氣機的效率，進而提高所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機的效率。實施例3如圖3所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其與實施例1的區(qū)別在于在所述排氣道2上設排氣降溫器200。這樣設置的目的是為了降低通過所述動力渦輪后的排氣溫度有利于排氣液化，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉合。實施例4如圖4所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其與實施例1的區(qū)別在于所述渦輪壓氣機4 設為多級渦輪壓氣機400，所述動力渦輪5設為多級動力渦輪500。實施例5如圖5所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其與實施例1的區(qū)別在于所述渦輪壓氣機4 設為由多個單級渦輪壓氣機組成的多段渦輪壓氣機401，所述動力渦輪5設為由多個單級動力渦輪組成的多段動力渦輪501 ；所述多段渦輪壓氣機401中的第一個單級渦輪壓氣機與所述多段動力渦輪501中的第一個單級動力渦輪同軸設置，所述多段渦輪壓氣機401中的第二個單級渦輪壓氣機與所述多段動力渦輪501中的第二個單級動力渦輪同軸設置，依此類推。實施例6如圖6所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其與實施例5的區(qū)別在于所述多段渦輪壓氣機401中的第一個單級渦輪壓氣機與所述多段動力渦輪501中的第二個單級動力渦輪同軸設置，所述多段渦輪壓氣機401中的第二個單級渦輪壓氣機與所述多段動力渦輪501中的第一個單級動力渦輪同軸設置。實施例7如圖7所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其與實施例1的區(qū)別在于在所述渦輪壓氣機 4上設渦輪排熱器402。實施例8如圖8所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其與實施例1的區(qū)別在于所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機還包括膨脹器50和深冷二氧化碳儲罐10，所述動力渦輪5的氣體出口與所述膨脹器50的氣體入口連通，所述膨脹器50的液體出口與所述深冷二氧化碳儲罐10連通，在所述膨脹器50上設不凝氣體出口 511，在所述進氣道1上設進氣降溫器100，所述進氣降溫器 100設為降溫熱交換器，所述不凝氣體出口 511與所述降溫熱交換器的冷流體入口連通，低壓氣源6設為大氣。[0098]實施例9如圖9所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其與實施例1的區(qū)別在于所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機還包括深冷二氧化碳儲罐10、排氣深冷器11和液氧儲罐61，所述動力渦輪5的氣體出口與所述排氣深冷器11連通，所述排氣深冷器11的液體出口與所述深冷二氧化碳儲罐 10連通，所述液氧儲罐61與所述排氣深冷器11連通，在所述排氣深冷器11上設含氧氣體出口 1101，所述含氧氣體出口 1101與所述渦輪壓氣機4的氣體入口連通；在所述渦輪壓氣機4、所述進氣道1、所述燃燒室301、所述排氣道2、所述動力渦輪 5和所述排氣深冷器11所形成的流體流動空間內充入氦氣，氦氣作為不凝氣周而復始參與循環(huán)。實施例10如圖10所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，包括進氣道1、排氣道2、短壓程充氣發(fā)動機 333、渦輪壓氣機4和動力渦輪5，所述渦輪壓氣機4的氣體入口與低壓氣源6連通，所述渦輪壓氣機4的壓縮氣體出口與所述進氣道1連通，所述進氣道1經(jīng)進氣門7與所述短壓程充氣發(fā)動機333的燃燒室301連通，所述燃燒室301經(jīng)排氣門8與所述排氣道2連通，所述排氣道2與所述動力渦輪5的氣體工質入口連通，所述渦輪壓氣機4的壓縮氣體出口處的承壓能力為IMPa，所述動力渦輪5對所述渦輪壓氣機4輸出動力。可選擇地，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口處的承壓能力還可以是大于1.5MPa、 2MPa、2. 5MPa、3MPa、3. 5MPa、4MPa、4. 5MPa、5MPa、5. 5MPa、6MPa、6. 5MPa、7MPa、7. 5MPa、8MPa、 8. 5MPa、9MPa、9. 5MPa、lOMPa、10. 5MPa、1IMPa、11. 5MPa、12MPa、12. 5MPa、13MPa、13. 5MPa、 14MPa、14. 5MPa 或 15MPa。為了提高權利所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機效率和環(huán)保性，調整即將開始作功的氣體工質的壓力到15MPa，調整即將開始作功的氣體工質的溫度到2000K，使即將開始作功的氣體工質的溫度和壓力符合類絕熱關系?？蛇x擇地，所述氣體工質的壓力還可以是15MPa以上，所述氣體工質的溫度到還可以為2700K以下，使即將開始作功的氣體工質的溫度和壓力符合類絕熱關系。實施例11如圖11所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其與實施例1的區(qū)別在于在所述進氣道1 上設進氣降溫器100，所述進氣降溫器100設為混合式進氣降溫器(1001)，在所述排氣道2 上設排氣降溫器200，所述排氣降溫器200設為混合式排氣降溫器(2001)。實施例12如圖12所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其與實施例1的區(qū)別在于所述渦輪壓氣機 4設為多段渦輪壓氣機401，所述動力渦輪5設為多段動力渦輪501，所述排氣道2上設排氣道旁通管90，所述排氣道旁通管90與所述多段動力渦輪501中的第二個單級動力渦輪的氣體工質入口連通。實施例13如圖13所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其與實施例10的區(qū)別在于在所述渦輪壓氣機4上設渦輪排熱器402，所述短壓程充氣發(fā)動機333設為絕熱發(fā)動機，所述短壓程充氣發(fā)動機333在壓縮沖程中容積減小的絕對量小于膨脹作功沖程中容積增加絕對量的二分之[0112]實施例14如圖14所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其與實施例12的區(qū)別在于所述排氣道2和所述排氣道旁通管90分別經(jīng)射流泵91與所述多段動力渦輪501中的相應級動力渦輪的氣體工質入口連通。實施例15如圖15所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其與實施例14的區(qū)別在于所述多段動力渦輪501中每一段動力渦輪的氣體工質出口分別經(jīng)排氣回流管92與所述射流泵91的射流泵低壓氣體入口連通。實施例16如圖16所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其與實施例1的區(qū)別在于所述爆排發(fā)動機 3由一個連續(xù)燃燒室1111與四個作功機構4444連接構成，所述作功機構4444設為活塞式作功機構。具體實施時，所述爆排發(fā)動機3還可以由一個連續(xù)燃燒室1111與兩個或兩個以上作功機構4444連接構成。實施例17如圖17所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其與實施例1的區(qū)別在于所述爆排發(fā)動機 3由一個連續(xù)燃燒室1111與一個葉輪式作功機構88連接構成。具體實施時，所述作功機構還可以設為活塞式作功機構。實施例18如圖20所示的渦輪氣缸低熵發(fā)動機，包括進氣道1、排氣道2、全壓程發(fā)動機555、 渦輪壓氣機4和動力渦輪5，所述渦輪壓氣機4的壓縮氣體出口與所述進氣道1連通，所述進氣道1經(jīng)進氣門7與所述全壓程發(fā)動機555的燃燒室301連通，所述燃燒室301經(jīng)排氣門8與所述排氣道2連通，所述排氣道2與所述動力渦輪5的氣體工質入口連通，所述渦輪壓氣機4的壓縮氣體出口處的承壓能力大于IMPa，所述動力渦輪5對所述渦輪壓氣機4輸出動力，所述全壓程發(fā)動機陽5的壓縮比小于12。為了提高所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機效率和環(huán)保性，可以采用下述方法第一步，調整所述渦輪壓氣機4的壓縮氣體出口處的承壓能力為1. 2MPa、l. 4MPa、 1. 6MPa、l. 8MPa、2MPa、2. 2MPa、2. 4MPa、2. 6MPa、2. 8MPa、3MPa、3. 2MPa、3. 4MPa、3. 6MPa、 3. 8MPa、4MPa、4. 2MPa、4. 4MPa、4. 6MPa、4. 8MPa 或 5MPa ；第二步，調整所述渦輪壓氣機4的級數(shù)以及單級壓比，使所述渦輪壓氣機4的壓縮氣體出口處的氣體壓力等于所述渦輪壓氣機4的壓縮氣體出口處的承壓能力。具體實施時，可選擇地，所述全壓程發(fā)動機的壓縮比還可以是小于11、10、9、8、7、 6、5、4、3或小于2。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員，能從本發(fā)明公開的內容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。
權利要求1.一種渦輪氣缸低熵發(fā)動機，包括進氣道(1)、排氣道(2)、爆排發(fā)動機(3)、渦輪壓氣機(4)和動力渦輪(5)，其特征在于所述渦輪壓氣機(4)的壓縮氣體出口與所述進氣道(1) 連通，所述進氣道(1)經(jīng)進氣門(7)與所述爆排發(fā)動機(3)的燃燒室(301)連通，所述燃燒室(301)經(jīng)排氣門(8 )與所述排氣道(2 )連通，所述排氣道(2 )與所述動力渦輪(5 )的氣體工質入口連通，所述渦輪壓氣機(4)的壓縮氣體出口處的承壓能力大于IMPa，所述動力渦輪(5)對所述渦輪壓氣機(4)輸出動力。
2.如權利要求1所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于所述爆排發(fā)動機(3)由連續(xù)燃燒室(1111)和作功機構(4444)連接構成。
3.一種渦輪氣缸低熵發(fā)動機，包括進氣道(1)、排氣道(2)、短壓程充氣發(fā)動機(333)、 渦輪壓氣機(4)和動力渦輪(5)，其特征在于所述渦輪壓氣機(4)的壓縮氣體出口與所述進氣道(1)連通，所述進氣道(1)經(jīng)進氣門(7)與所述短壓程充氣發(fā)動機(333)的燃燒室 (301)連通，所述燃燒室(301)經(jīng)排氣門(8 )與所述排氣道(2 )連通，所述排氣道(2 )與所述動力渦輪(5)的氣體工質入口連通，所述渦輪壓氣機(4)的壓縮氣體出口處的承壓能力大于IMPa，所述動力渦輪(5)對所述渦輪壓氣機(4)輸出動力。
4.如權利要求3所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于所述短壓程充氣發(fā)動機(333) 設為絕熱發(fā)動機。
5.如權利要求3所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于所述短壓程充氣發(fā)動機(333) 在壓縮沖程中容積減小的絕對量小于膨脹作功沖程中容積增加絕對量的二分之一。
6.一種渦輪氣缸低熵發(fā)動機，包括進氣道(1)、排氣道(2)、全壓程發(fā)動機(555)、渦輪壓氣機(4)和動力渦輪(5)，其特征在于所述渦輪壓氣機(4)的壓縮氣體出口與所述進氣道(1)連通，所述進氣道(1)經(jīng)進氣門(7 )與所述全壓程發(fā)動機(555 )的燃燒室(301)連通， 所述燃燒室(301)經(jīng)排氣門(8)與所述排氣道(2)連通，所述排氣道(2)與所述動力渦輪 (5)的氣體工質入口連通，所述渦輪壓氣機(4)的壓縮氣體出口處的承壓能力大于IMPa，所述動力渦輪(5)對所述渦輪壓氣機(4)輸出動力。
7.如權利要求6所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于所述全壓程發(fā)動機(555)的壓縮比小于12。
8.如權利要求1、3或6所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于在所述進氣道(1)上設進氣降溫器(100 )，和/或在所述排氣道(2 )上設排氣降溫器(200 )。
9.如權利要求8所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于所述進氣降溫器(100)設為混合式進氣降溫器(1001)，和/或所述排氣降溫器(200)設為混合式排氣降溫器(2001)。
10.如權利要求1、3或6所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于所述渦輪壓氣機(4) 設為多級渦輪壓氣機(400)，和/或所述動力渦輪(5)設為多級動力渦輪(500)。
11.如權利要求1、3或6所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于所述渦輪壓氣機(4) 設為由多個單級渦輪壓氣機組成的多段渦輪壓氣機(401)，所述動力渦輪(5)設為由多個單級動力渦輪組成的多段動力渦輪(501)。
12.如權利要求11所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于所述多段渦輪壓氣機(401) 中的單級渦輪壓氣機與所述多段動力渦輪(501)中的單級動力渦輪每段一一對應同軸設置。
13.如權利要求11所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于所述多段渦輪壓氣機(401)中的第一個單級渦輪壓氣機與所述多段動力渦輪(501)中的第一個單級動力渦輪以外的一個單級動力渦輪同軸設置。
14.如權利要求11所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于所述排氣道(2)經(jīng)排氣道旁通管(90)與所述多段動力渦輪(501)中的第一個單級動力渦輪以外的單級動力渦輪連通。
15.如權利要求1、3或6所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于在所述渦輪壓氣機 (4)上設渦輪排熱器(402)。
16.如權利要求1、3或6所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機還包括膨脹器(50)和深冷二氧化碳儲罐(10)，所述動力渦輪(5)的氣體出口與所述膨脹器(50)的氣體入口連通，所述膨脹器(50)的液體出口與所述深冷二氧化碳儲罐(10)連通，在所述膨脹器(50)上設不凝氣體出口(511)，在所述進氣道(1)上設進氣降溫器(100)， 所述不凝氣體出口(511)與所述進氣降溫器(100)的冷流體入口連通。
17.如權利要求1、3或6所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機還包括深冷二氧化碳儲罐(10)、排氣深冷器(11)和液氧儲罐(61)，所述動力渦輪(5) 的氣體出口與所述排氣深冷器(11)連通，所述排氣深冷器(11)的液體出口與所述深冷二氧化碳儲罐(10 )連通，所述液氧儲罐(61)與所述排氣深冷器(11)連通，在所述排氣深冷器 (11)上設含氧氣體出口(1101)，所述含氧氣體出口(1101)與所述渦輪壓氣機(4)的氣體入 □連通。
18.如權利要求17所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于在所述渦輪壓氣機(4)、 所述進氣道(1)、所述燃燒室(301)、所述排氣道(2)、所述動力渦輪(5)和所述排氣深冷器 (11)所形成的流體流動空間內充入氦氣，氦氣作為不凝氣周而復始參與循環(huán)。
19.如權利要求1、3或6所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于所述排氣道(2)經(jīng)射流泵(91)與所述動力渦輪(5)的氣體工質入口連通。
20.如權利要求19所述渦輪氣缸低熵發(fā)動機，其特征在于所述動力渦輪(5)的氣體工質出口經(jīng)排氣回流管(92)與所述射流泵(91)的射流泵低壓氣體入口連通。
專利摘要本實用新型公開了一種渦輪氣缸低熵發(fā)動機，包括進氣道、排氣道、爆排發(fā)動機、渦輪壓氣機和動力渦輪，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口與所述進氣道連通，所述進氣道經(jīng)進氣門與所述爆排發(fā)動機的燃燒室連通，所述燃燒室經(jīng)排氣門與所述排氣道連通，所述排氣道與所述動力渦輪的氣體工質入口連通，所述渦輪壓氣機的壓縮氣體出口處的承壓能力大于1MPa，所述爆排發(fā)動機不對所述渦輪壓氣機輸出動力，所述動力渦輪對所述渦輪壓氣機輸出動力。本實用新型實現(xiàn)了發(fā)動機的高效、低污染，大大提高了發(fā)動機的環(huán)保性。
文檔編號F02B37/00GK202273752SQ20112039311
公開日2012年6月13日 申請日期2011年10月15日 優(yōu)先權日2010年10月18日
發(fā)明者靳北彪 申請人:靳北彪