专利名称：液氮引擎装置的制作方法
技术领域：
本实用新型关于一种液氮引擎装置，特别关于一种利用液态氮作为燃料的开放式 朗肯循环(Open Rankine Cycle)与一闭式布雷顿循环(Close Brayton Cycle)联合循环 做功产生动力的液氮引擎装置。
背景技术：
随着石油来源减少以及节约能源的概念启发以及地球面临日益暖化的问题促使 人类对环境保护的意识提高，因此省油减废气汽车的开发以成为一种趋势，然而综观目前 汽车引擎的技术，不论是传统内燃机(柴油、汽油、天然气)或是其他新型技术如电动汽车， 油电混合式引擎汽车或者氢燃料电池车等都存在其目前无法克服的各类问题。传统的内燃机耗能大，每单位燃料的能量大约只有30%真正用于推动汽车的动 力，其他大约70%均随汽缸的散热及排气而浪费无法使用。同时，汽车排出的废气已形成大 约占各城市污染源的20%。电动汽车技术的发展经历了三个研究阶段，第一次在1834年，第二次在1918年但 均因为各种原因没能持续发展。第三次是自90年代开始，这一次是人类警觉到石油能源经 长期开采后已日渐缺乏以及其价格的不稳定性，世界各国在能源节约上纷纷采取更为明确 的措施及对策，同时人们对气候的暖化和大气环境的重视，纷纷制定强制性汽车排放标准。 2009年12月在哥本哈根召开的全球气候变迁会议中提出的草案要求已开发国家以采行具 有法律拘束力的承诺，在2020年时温室气体总排放体积比1990年时减量25%至45%。因 此电动车的研究再次被重视，近十几年来，美国、欧洲、日本等国家和一些大型汽车公司在 这波行动中投资超过一百亿美元，而且每年还以十亿美元以上的速度增加，电动车从电池 的种类而言大约可分为几种类型，其中主要是蓄电池汽车和燃料电池汽车，从应用上可分 为纯电动以及油电混合车。由于电动车的电池质量较大，约占总车质量的四分之一左右， 无形中加大了汽车的重量而造成动力的浪费。同时，如果大量汽车使用大量含重金属电池 (例如锂电池)，由于电池使用寿命大约于2 3年内必须淘汰更换，不但将来锂的取得来 源会形成问题，对这些大量废弃的电池处理亦将对环境保护形成巨大压力。而且一般锂离 子或镍氢电池还存在燃烧及爆炸的潜在危险。虽然锂电池的充电速度随技术的提升其充电 时间渐为缩短，最快也须30分钟，大部分则须一整夜时间。电动车的续航力仍存在某种程 度的限制，其续航里程约为内燃机汽车的五分之一，一般内燃机汽车续驶里程为600km以 上，电动车若欲达续驶里程为600km，其电池质量就要达到1610kg。油电混合车虽然大大改 进上述电动车在续驶里程上的缺点以及降低了汽车废气排放量，但由于其仍使用大量电池 组，不但汽车重量问题仍无法避免，且将来汰换电池的高成本与环保问题仍存在。由于上述各种缺点，因此开发一种既可达节约能源又能减低废气排放量双重优点 的绿色能于引擎便显异常重要。国外曾有先进技术尝试利用高压空气推动空气马达以取代 内燃机引擎，或者有先进技术以液态氮当作燃料的开放式朗肯循环，使超低温液态氮通过 蒸发器直接气化产生高压氮气推动空气马达以取代内燃机引擎等，但均由于设计上及研究方向等各种原因，此等替代燃料引擎所产生的比能均较低(大约200 250KJ/kg)且液态 氮耗气量亦较大而不经济，无论在车速或续航力上均有所限制而无法令人满意。本新型液氮引擎由于利用液氮的开放式朗肯循环(Open Rankine Cycle)同时与 另一特殊气体工作介质的闭式布雷顿循环(Close Brayton Cycle)联合循环做功产生动 力，此种新型液氮引擎完全抦弃传统内燃机，无须使用汽油或柴油，因此完全不排放废气且 由于所使用的能源为液氮，可确实达到零污染的环保要求。依本实用新型研究计算可知本 液氮引擎可产生的比能大约为540KJ/kg，大大提升先前技术的比能(大约200 250KJ/ kg)，如果以产生15KW的动力为考虑，氮气的耗气量大约为lOOkg/Hr，折合费用约新台币 400/Hr，较内燃机汽车平均耗油费新台币450/Hr便宜。且由于本液氮引擎完全于低温状态 下运行，无高温的过程，不但设备重量轻，对设备材料的要求也较低，相对成本就较低。同时 低温的排放氮气还可用来当做汽车空调的冷媒以节省空调所需能量。
发明内容由此，本实用新型的目的在于提供一种液氮引擎装置，其能提供一利用液态氮当 作燃料的新型引擎。为实现上述目的，本实用新型公开了一种液氮引擎装置，其特征在于包括至少一闭式布雷顿循环，该闭式布雷顿循环包括至少一种工作介质；至少一工作介质进行绝热膨胀成低压低温状态的涡轮膨胀机；至少一工作介质进行绝热压缩成高压高温状态的涡轮压缩机；至少一利用大气温度加热该工作介质至接近大气温度的空气加热器，该空气加热 器包含至少一加热器风扇；至少一用以回收从该涡轮膨胀机释出的工作介质热量的节热器；至少一利用液氮的低温将工作介质冷却至约-188°C的液氮蒸发器；至少一将该涡轮膨胀机、该涡轮压缩机、该空气加热器、该节热器与该液氮蒸发器 连接成一闭式循环系统的管道系统。其中，更包括至少一开式液氮朗肯循环，该开式液氮朗肯循环包括至少一用来储存高压液氮的液氮储罐，该液氮储罐连接一将液氮输送至该液氮蒸 发器以及一空调冷却器后排放至大气中的管道；至少一将氮气升温至接近大气温度的氮气加热器，该氮气加热器包含至少一加热 器风扇；至少一产生的功用来直接供应该涡轮压缩机所需的动力的氮气涡轮膨胀机，该氮 气涡轮膨胀机与前述布雷顿循环中的涡轮压缩机安装于同一轴上；至少一氮气排气消音器。其中，至少一利用低温的排放氮气将汽车车厢的循环空气冷却的空调冷却器，该 空调冷却器经由一鼓风机连接一管道用以循环输送汽车空调空气。其中，至少一用来接收来自驾驶员的操作指令以及引擎各部位传递的讯号进而调 控该液氮引擎的运转性能的中央控制器。其中，至少一由该涡轮膨胀机驱动产生电力的发电机。[0025]其中，至少一藉由一整流器用以储存该发电机发出的电力的蓄电池。其中，至少一变速器，该变速器用以连结一用以将该涡轮膨胀机产生的动力与汽 车轮轴连接以推动汽车的传动器。其中，该管道系统更包含多个控制阀用以调节该工作介质流量。通过上述结构，本实用新型的液氮引擎装置由于利用液氮的低温特性(_196°C ) 在开放式朗肯循环(Open Rankine Cycle)同时与另一特殊气体的闭式布雷顿循环(Close Brayton Cycle)联合循环做功产生动力，此种液氮引擎完全抦弃传统内燃机，完全不使用 汽油或柴油，因此完全不排放废气，且由于所使用的能源为液态氮，可确实达零污染的环 保要求。此特殊工作介质在闭式循环系统中经过绝热压缩过程然后利用大气温度(25 30°C)直接加热至中高温度最后利用热力学原理在膨胀涡轮机内绝热膨胀产生动力。液氮 在循环过程中先冷却闭式布雷顿循环中的工作介质而气化，然后再利用大气温度将其加热 至常温然后一并进入一个与布雷顿循环中压缩机同轴的涡轮机膨胀做功而驱动该压缩机， 因此，比能也较高。同时，低温的排放氮气还可用来作为汽车空调的冷媒以节省空调所需能 量，且由于最后排放的只是氮气，不产生汽车废气，可谓完全零污染。为便于说明本案于上述创作内容一栏中所表示的中心思想，兹以具体实施例表 达。实施例中各种不同物件按适于说明的比例、尺寸、变形量或位移量而描绘，而非按实际 元件的比例予以绘制，合先叙明。且以下的说明中，类似的元件是以相同的编号来表示。
图1本实用新型液氮引擎系统流程图。图2本实用新型液氮引擎系统配置示意图。
具体实施方式
请参阅图1与图2，本实用新型的液氮引擎装置，包括至少一闭式布雷顿循环，该闭式布雷顿循环包括至少一种工作介质26 ；至少一涡轮膨胀机1，工作介质26于该涡轮膨胀机1进行绝热膨胀成低压低温状 态；至少一涡轮压缩机4，工作介质26于该涡轮压缩机4进行绝热压缩成高压高温状 态；至少一空气加热器6，该空气加热器6包含至少一加热器风扇28，该空气加热器6 利用大气温度加热该工作介质至接近大气温度；至少一节热器5，用以回收从该涡轮膨胀1机释出的工作介质26的热量；至少一液氮蒸发器3，利用液氮的低温将工作介质冷却至约_188°C ；至少一管道系统27，该管道系统27更包含至少两控制阀60，70用以调节该工作介 质26的流量，该管道系统27将该涡轮膨胀机1、该涡轮压缩机4、该空气加热器6、该节热器 5与该液氮蒸发器3连接成一闭式循环系统；至少一开式液氮朗肯循环，该开放式液氮朗肯循环包括至少一液氮储罐9，用来储存液氮，该液氮储罐9连接一管道271将液氮输送至该
5液氮蒸发器3以及一空调冷却器12然后排放至大气中；至少一氮气加热器11，该氮气加热器11包含至少一加热器风扇21，低温氮气在该 氮气加热器11内升温至接近大气温度；至少一氮气涡轮膨胀机2，该氮气涡轮膨胀机2与前述布雷顿循环中的涡轮压缩 机4安装于同一轴上，该氮气涡轮膨胀机2所产生的功一部分用来直接带动该涡轮压缩机 4；至少一氮气排气消音器13 ；至少一空调冷却器12，该空调冷却器12经由一鼓风机15连接一管道272用以循 环输送汽车空调空气，利用低温的排放氮气将汽车车厢16的循环空气冷却；至少一中央控制器20，该中央控制器20用来接收来自驾驶员的操作指令以及引 擎各部位传递的信号进而调控该液氮引擎的运转性能；至少一发电机17，该发电机17由该涡轮膨胀机1驱动产生电力；以及至少一蓄电池19，该蓄电池19藉由一整流器41用以储存该发电机17发出的电 力；至少一变速器25，该变速器25用以连结一传动器，该传动器用以将该涡轮膨胀机 产生的动力与汽车轮轴连接以推动汽车。该液态氮引擎，其中低温低压状态的工作介质26由管道系统27进入压缩机4完 成绝热压缩过程转为高压状态，后再流经节热器5与来自涡轮膨胀机1出口较高温的回流 工作介质进行等压换热回收热能，后进入加热器6与加热器风扇28吹送的大气温度热交换 升高温度，然后工作介质26流入涡轮膨胀机1完成绝热膨胀过程成为低温低压状态，控制 阀60用以依动力需求控制工作介质26进入该涡轮膨胀机1的流量。工作介质26再通过 节热器5将热能传递给另一侧较低温质工作介质26以回收热能，工作介质26再流经液氮 蒸发器3与超低温的液氮进行等压热交换达到接近-188°C的低温状态再循环回该压缩机 4。液氮储存于液氮储罐9中经由管道271输送，经液氮蒸发器3吸收工作介质26的热量 而气化成低温氮气，后低温氮气再流经液氮加热器11升温至接近大气温度(20°C )。后高 温高压的氮气通过该氮气涡轮膨胀机2进行绝热膨胀做功直接驱动压缩机4，氮气再通过 空调冷却器12冷却来自于汽车车厢16的空气达到车厢16制冷效果，后经该消音器13排 放至大气中。控制阀70用来依动力需求控制液氮流入该氮气涡轮膨胀机2的流量，鼓风机 15连接管道272用以循环输送汽车空调空气。中央控制器20与该涡轮膨胀机1、该氮气涡 轮膨胀机2、该压缩机4、该发电机17、该鼓风机15、该控制阀60、该控制阀70与该液氮加热 器11的加热器风扇21，28等相互连接，集中处理来自驾驶员的操作指令以及从各部件传递 的讯息进而调控该引擎的运转性能，该发电机17产生的电力再透过该整流器41储存至该 蓄电池19中用以供应汽车照明和中央控制器20等所需的电力，并由一变速器25用以连结 一传动器，该传动器用以将该涡轮膨胀机产生的动力与汽车轮轴连接以推动汽车。惟上述实施例仅为例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用 新型。任何熟于此项技艺的人士均可在不违背本实用新型的技术原理及精神的情况下，对 上述实施例进行修改及变化。因此本实用新型的权利保护范围应如后述的申请专利范围所 列。
权利要求一种液氮引擎装置，其特征在于包括至少一闭式布雷顿循环，该闭式布雷顿循环包括至少一种工作介质；至少一工作介质进行绝热膨胀成低压低温状态的涡轮膨胀机；至少一工作介质进行绝热压缩成高压高温状态的涡轮压缩机；至少一利用大气温度加热该工作介质至接近大气温度的空气加热器，该空气加热器包含至少一加热器风扇；至少一用以回收从该涡轮膨胀机释出的工作介质热量的节热器；至少一利用液氮的低温将工作介质冷却至约-188℃的液氮蒸发器；至少一将该涡轮膨胀机、该涡轮压缩机、该空气加热器、该节热器与该液氮蒸发器连接成一闭式循环系统的管道系统。
2.依据权利要求1所述液氮引擎装置，其特征在于，更包括至少一开式液氮朗肯循环， 该开式液氮朗肯循环包括至少一用来储存高压液氮的液氮储罐，该液氮储罐连接一将液氮输送至该液氮蒸发器 以及一空调冷却器后排放至大气中的管道；至少一将氮气升温至接近大气温度的氮气加热器，该氮气加热器包含至少一加热器风扇；至少一产生的功用来直接供应该涡轮压缩机所需的动力的氮气涡轮膨胀机，该氮气涡 轮膨胀机与前述布雷顿循环中的涡轮压缩机安装于同一轴上； 至少一氮气排气消音器。
3.依据权利要求1所述液氮引擎装置，其特征在于 至少一利用低温的排放氮气将汽车车厢的循环空气冷却的空调冷却器，该空调冷却器 经由一鼓风机连接一管道用以循环输送汽车空调空气。
4.依据权利要求1所述液氮引擎装置，其特征在于至少一用来接收来自驾驶员的操 作指令以及引擎各部位传递的讯号进而调控该液氮引擎的运转性能的中央控制器。
5.依据权利要求1所述液氮引擎装置，其特征在于至少一由该涡轮膨胀机驱动产生 电力的发电机。
6.依据权利要求1所述液氮引擎装置，其特征在于至少一藉由一整流器用以储存该 发电机发出的电力的蓄电池。
7.依据权利要求1所述液氮引擎装置，其特征在于至少一变速器，该变速器用以连结 一用以将该涡轮膨胀机产生的动力与汽车轮轴连接以推动汽车的传动器。
8.依据权利要求1所述液氮引擎装置，其特征在于该管道系统更包含多个控制阀用 以调节该工作介质流量。
专利摘要本实用新型关于一种液氮引擎装置，利用液态氮作为燃料的开放式朗肯循环(Open Rankine Cycle)与一闭式布雷顿循环(Close Brayton Cycle)联合循环做功产生动力，此种新型引擎可达完全不需使用传统内燃机，完全不用汽油或柴油也不排放造成环境污染的废气的目的。
文档编号B60H1/32GK201635781SQ201020129260
公开日2010年11月17日 申请日期2010年3月12日 优先权日2010年3月12日
发明者罗晨嘉 申请人:罗晨嘉