专利名称：做功单元热气机的制作方法
技术领域：
本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种热气机。
背景技术：
近年来，传统内燃机的高能耗、高污染排放问题日显突出，所以，热气机得到了广泛重视，然而，传统热气机例如斯特林发动机压缩比非常低(目前世界上最好的斯特林发动机的压缩比仅为2左右)，而且冷缸和热缸之间必须具有特定的相位差，这些都严重影响着斯特林发动机的应用。因此，需要发明一种新型发动机。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下:方案1.一种做功单兀热气机，包括气缸活塞机构、加热器和冷却器，所述气缸活塞机构的气缸上设有进气口和排气口，所述做功单元热气机还包括往复通道压气机，所述进气口与所述往复通道压气机的往复流通口连通，在所述进气口与所述往复流通口之间的连通通道上设旁通口，所述排气口与所述旁通口连通，在所述进气口和所述旁通口之间的连通通道上设进气正时控制阀，在所述排气口与所述旁通口之间的连通通道上设排气正时控制阀；所述加热器设在所述气缸活塞机构的气缸上和/或设在所述进气正时控制阀与所述进气口之间的连通通道上；所述冷却器设在所述往复通道压气机上和/或设在所述排气口与所述往复流通口之间的连通通道上。方案2.在方案I的基础上，所述做功单元热气机还包括热交换器式回热器，所述旁通口与所述进气口之间的连通通道设为所述热交换器式回热器的被加热流体通道，所述旁通口与所述排气口之间的连通通道设为所述热交换器式回热器的被冷却流体通道，所述加热器设在所述热交换器式回热器的被加热流体出口与所述进气口之间的连通通道上和/或设在所述气缸活塞机构的气缸上，所述冷却器设在所述热交换器式回热器的被冷却流体出口与所述往复流通口之间的连通通道上和/或设在所述往复通道压气机上。方案3.在方案I的基础上，进一步在所述冷却器设置在所述排气口与所述旁通口之间的结构中，在所述排气口与所述冷却器之间设热交换式回热器，所述热交换式回热器对进入所述加热器之前的工质进行加热；在所述冷却器设置在所述旁通口与所述往复流通口之间连通通道上的结构中，在所述旁通口与所述冷却器之间的连通通道上设填料式回热器；在所述冷却器设置在所述往复通道压气机上的结构中，在所述旁通口与所述往复流通口之间的连通通道上设填料式回热器。方案4.一种做功单元热气机，包括气缸活塞机构、内燃燃烧室和冷却器，所述气缸活塞机构的气缸上设有进气口和排气口，所述做功单元热气机还包括往复通道压气机和工质导出口，所述进气口与所述往复通道压气机的往复流通口连通，在所述进气口与所述往复流通口之间的连通通道上设旁通口，所述排气口与所述旁通口连通，在所述进气口和所述旁通口之间的连通通道上设进气正时控制阀，在所述排气口与所述旁通口之间的连通通道上设排气正时控制阀；所述内燃燃烧室设在所述气缸活塞机构的气缸内和/或设在所述进气正时控制阀与所述进气口之间的连通通道内；所述冷却器设在所述往复通道压气机上和/或设在所述排气口与所述往复流通口之间的连通通道上；所述工质导出口设置在工质闭合回路上。方案5.在方案4的基础上，所述冷却器设在所述排气正时控制阀与所述往复流通口之间的连通通道上，所述工质导出口设置在所述冷却器与所述排气正时控制阀之间的连通通道上。方案6.在方案4的基础上，所述做功单元热气机还包括热交换器式回热器，所述旁通口与所述进气口之间的连通通道设为所述热交换器式回热器的被加热流体通道，所述旁通口与所述排气口之间的连通通道设为所述热交换器式回热器的被冷却流体通道，所述内燃燃烧室设在所述热交换器式回热器的被加热流体出口与所述进气口之间的连通通道内和/或设在所述气缸活塞机构的气缸内，所述冷却器设在所述热交换器式回热器的被冷却流体出口与所述往复流通口之间的连通通道上和/或设在所述往复通道压气机上。方案7.在方案4的基础上，在所述冷却器设置在所述排气口与所述旁通口之间的结构中，在所述排气口与所述冷却器之间设热交换式回热器，所述热交换式回热器对进入所述内燃燃烧室之前的工质进行加热；在所述冷却器设置在所述旁通口与所述往复流通口之间的连通通道上的结构中，在所述旁通口与所述冷却器之间的连通通道上设填料式回热器；在所述冷却器设置在所述往复通道压气机上的结构中，在所述旁通口与所述往复流通口之间的连通通道上设填料式回热器。方案8.在方案I或4的基础上，所述做功单元热气机还包括热交换器式回热器，所述进气口与所述往复流通口之间的连通通道设为所述热交换式回热器的被加热流体通道，所述热交换式回热器的被冷却流体入口与所述旁通口连通，所述热交换式回热器的被冷却流体出口设在所述旁通口与所述往复流通口之间的连通通道内。本发明的所有方案中，都可以选择性的将所述往复通道压气机设为气缸活塞式往复通道压气机。本发明所有设有所述内燃燃烧室的方案中，都可以选择性的使所述做功单元热气机进一步还包括涡轮动力机构和叶轮压气机，所述工质导出口与所述涡轮动力机构的工质入口连通，所述涡轮动力机构的工质出口经附属冷却器与所述叶轮压气机的工质入口连通，所述叶轮压气机的工质出口与所述工质闭合回路连通；在所述涡轮动力机构的工质出口与所述叶轮压气机的工质入口之间的连通通道上设附属工质导出口。本发明的所有设置所述内燃燃烧室的方案中，都可以选择性的使所述内燃燃烧室排出的物质的质量流量大于从所述工质闭合回路外导入所述内燃燃烧室的物质的质量流量。本发明的所有设置所述内燃燃烧室的方案中，都可以选择性的使所述做功单元热气机进一步还包括四类门气缸活塞机构，所述四类门气缸活塞机构的供气口与所述内燃燃烧室连通，所述四类门气缸活塞机构的回充口与所述工质导出口连通。本发明所有设有所述内燃燃烧室的方案中，都可以选择性的使所述做功单元热气机进一步还包括氧化剂源、氧化剂传感器和氧化剂控制装置，所述氧化剂传感器设在所述工质闭合回路内，所述氧化剂传感器对所述氧化剂控制装置提供信号，所述氧化剂源经氧化剂控制阀与所述工质闭合回路连通，所述氧化剂控制装置控制所述氧化剂控制阀。可以选择性的将所述氧化剂源设为活塞式空气压缩机构。本发明的所有方案中，都可以选择性的使所述做功单元热气机进一步还包括低温冷源，所述低温冷源用于提供低温物质，所述低温物质用于冷却所述往复通道压气机中和/或即将进入所述往复通道压气机的工质。本发明所有的方案中，都可以选择性的将所述气缸活塞机构和/或所述往复通道压气机设为活塞液体机构，所述活塞液体机构包括气液缸和气液隔离结构，所述气液隔离结构设在所述气液缸内。可选择的使所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和。本发明中所有设置所述加热器，而未设回热器(填料式回热器或热交换器式回热器)的方案中，都可以选择性的在所述气缸活塞机构的气缸内设填料式回热器，所述加热器设置在所述气缸活塞机构的活塞与所述填料式回热器之间的所述气缸活塞机构的气缸内。本发明中所有设置所述内燃燃烧室，而未设回热器(填料式回热器或热交换器式回热器)的方案中，都可以选择性的在所述气缸活塞机构的气缸内设填料式回热器，所述内燃燃烧室设置在所述气缸活塞机构的活塞与所述填料式回热器之间的所述气缸活塞机构的气缸内。本发明的原理是:在所述气缸活塞机构的活塞处于上止点附近时，打开所述进气正时控制阀，将经所述往复通道压气机增压后的压缩空气直接或经回热器(填料式回热器或热交换器式回热器)供送到所述加热器或所述内燃燃烧室内，吸热(恒温吸热、吸热升压或吸热升温)后推动所述气缸活塞机构的活塞下行对外做功，当所述气缸活塞机构的活塞下行到一定程度时停止供送压缩工质；当所述气缸活塞机构的活塞趋近下止点时(或越过下止点时)打开所述排气正时控制阀，气体工质直接或经回热器(填料式回热器或热交换器式回热器)再被所述冷却器冷却后进入所述往复通道压气机内被压缩，或气体工质直接或经回热器(填料式回热器或热交换器式回热器)进入设有所述冷却器的所述往复通道压气机并在其中同时被冷却和压缩，如此循环周而复始对外做功。其中在使用所述内燃燃烧室的结构中，由于燃料在所述内燃燃烧室中燃烧会产生气体工质，将增大所述工质闭合回路中气体工质的量，因此当所述工质闭合回路中压力过大时，可经所述工质导出口导出部分工质。本发明中，所谓的两个装置连通，是指流体可以在两个装置之间单向或者双向流通。所谓的连通是指直接连通或经控制机构、控制单元或其他控制部件间接连通。本发明中，所谓的往复通道压气机是指进气口和排气口一体化设置的压气机构，例如气缸上设有往复流通口的气缸活塞机构、可正反转且一端连接储气罐的罗茨机构等，所述的压气机构是指能够对气体进行压缩的装置。本发明中，所谓的加热器是指加热流体和工质不发生混合且能对工质进行加热的装置，以及用太阳能对工质进行加热的装置；如热交换器式加热器、燃烧炉等。本发明中，所谓的内燃燃烧室是指氧化剂和还原剂发生燃烧化学反应后所形成的高温产物直接作为循环工质或与所述工质闭合回路内事先存在的其它气体混合后作为循环工质的燃烧室。根据技术常识，需要在所述工质闭合回路上设置氧化剂和还原剂的入口，或者将氧化剂和还原剂预先存入所述工质闭合回路中。
本发明中，所谓的内燃燃烧室可以设为内燃连续燃烧室或内燃间歇燃烧室，所述内燃连续燃烧室是指其内可以连续发生燃烧化学反应的内燃燃烧室；所述内燃间歇燃烧室是指非连续发生燃烧化学反应的内燃燃烧室，所述内燃间歇燃烧室可以是正时间歇燃烧室，在所述做功单元热气机的每个工作循环中，所述内燃燃烧室内只发生一次燃烧化学反应，燃烧化学反应只在一个冲程内发生；或者可以是正时长间歇燃烧室，在所述做功单元热气机的多个工作循环中，所述内燃燃烧室内发生一次燃烧化学反应；或者可以是长正时间歇燃烧室，在所述做功单元热气机连续的多个工作循环中，所述内燃燃烧室内连续发生燃烧化学反应。本发明中，所谓的气缸包括气缸套、气缸盖以及由气缸套和气缸盖所形成的容积空间，所述气缸上的连通口可设置在气缸盖上，也可设置在气缸套上。本发明中，所谓的热交换器式回热器是指设在所述冷却器之前的，能够将来自所述加热器或所述内燃燃烧室流向所述冷却器的高温工质的热量传递给即将进入所述加热器或所述内燃燃烧室的工质的热交换器。本发明中，所谓的填料式回热器是指当高温工质流过多孔填料区域时将自身的热量留给填料，当低温工质逆行流过多孔填料区域时吸收填料所存储的热量的装置。本发明中，所谓的冷却器是指能够使工质降温的装置，它可以是散热器，也可以是热交换器。本发明中，所谓的“四类门气缸活塞机构”是指气缸上设进气口、排气口、供气口和回充口，在所述进气口、所述排气口、所述供气口和所述回充口处依次对应设置进气门、排气门、供气门和回充门的气缸活塞机构。本发明中，所谓的“工质闭合回路”是指由所述气缸活塞机构、所述内燃燃烧室(或所述加热器)、所述冷却器、所述往复通道压气机等及它们之间的连通通道构成的工质可循环流动的空间。本发明中，所述做功单元热气机的工质为在循环中不发生相变或不完全发生相变的气体工质，例如空气、水和二氧化碳混合物、氦气、氩气、氢气等。本发明中，在设置所述内燃燃烧室的结构中，通过调整所述工质闭合回路的工作压力(例如可以通过调整所述工质导出口的开启压力或者开关时间来实现)以及所述气缸活塞机构的排量，以控制所述气缸活塞机构的质量排量，使所述内燃燃烧室排出的物质的质量流量M2大于从所述工质闭合回路外导入所述内燃燃烧室的物质的质量流量M1，也就是说除了从所述工质闭合回路外导入所述内燃燃烧室的物质外，还有一部分物质是从所述工质闭合回路中导入所述内燃燃烧室的，由于所述内燃燃烧室是设置在所述工质闭合回路内的，所以也就是说从所述内燃燃烧室排出的物质至少有一部分流回所述内燃燃烧室，即实现了工质在所述气缸活塞机构和所述往复通道压气机之间有往复流动。从所述工质闭合回路外向所述内燃燃烧室导入的物质可以是氧化剂、还原剂、压缩气体或高温燃气等。本发明中，所谓的气液缸是指可以容纳气体工质和/或液体，并能承受一定压力的容器，所述气液缸被所述气液隔离结构分隔成气体端和液体端，所述气液缸的气体端设有气体工质流通口，所述气体工质流通口用于与所述工质闭合回路中的其他装置或机构连通；所述气液缸的液体端设有液体流通口，所述液体流通口用于与液压动力机构和/或液体工质回送系统连通。
本发明中，所述气液隔离结构是指可以在所述气液缸中做往复运动的结构体，如隔离板、隔离膜、活塞等，其作用是隔离所述气液缸中的气体工质和液体，优选地，所述气液隔离结构和所述气液缸密封滑动配合。在所述活塞液体机构的工作过程中，根据所述气液隔离结构处于所述气液缸内的不同位置，所述气液缸内可能全部是气体工质，也可能全部是液体，或者气体工质和液体同时存在。本发明中，所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构与传统的活塞连杆机构不同，传统的活塞连杆机构中的活塞可受连杆的推力或拉力停下，从而实现对活塞行程的限制，而在所述气液缸中，当所述气液缸内的气体工质做正功时，所述气液隔离结构受压力向下止点方向移动，将液体以高压形式排出所述气液缸并推动液压动力机构(例如液体马达)对外做功，当液体即将排尽时，改变液体马达工作模式或启动液体工质回送系统，使所述气液缸内的液体不再减少，此时液体会对所述气液缸内的所述气液隔离结构施加制动力，使其停止，以防止其撞击气液缸的液体端底部的壁；当不断向所述气液缸内输入液体时，所述气液隔离结构会不断向上止点方向移动，当到达上止点附近时，停止向所述气液缸内输入液体或者使所述气液缸内的液体减少(流出)，尽管如此，所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构仍然会由于惯性向上止点方向运动，此时，如果所述气液缸内的气体工质的压力不够高，则会导致所述气液隔离结构继续向上运动而撞击气液缸顶部的壁，为了避免这种撞击，需要使气液缸内气体工质的压力足够高，使其对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和。本发明中，在所述做功单元热气机的工作过程中所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和是变化的，因此在工程设计中应保证在任何工作时刻都满足“所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和”的条件，例如通过调整所述工质闭合回路中的工作压力、调整气液隔离结构的质量、调整液体密度或调整液体深度等方式来实现，其中，所述液体深度是指液体在做往复运动方向上的液体的深度。所谓的“调整所述工质闭合回路中的工作压力”是通过调整流入和/或流出所述工质闭合回路的气体工质的体积流量来实现的，例如可以通过调整所述工质导出口的开关间隔、每次开启的时间和/或所述工质导出口处控制阀的开口大小来实现。本发明中，可以通过调整所述工质闭合回路中的压力(例如可以通过调整所述工质导出口的开启压力或者开关时间来实现)，使所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构的总惯性力，从而防止所述气液隔离结构与所述气液缸碰撞。本发明中，所述低温冷源是指能提供温度在0°C以下的低温物质的装置、机构或储罐，例如采用商业购买方式获得的储存有低温物质的储罐，所述低温物质可以是液氮、液氧、液氦或液化空气等。在设置所述内燃燃烧室的结构中，当氧化剂为液氧时，液氧可直接作为所述低温物质。所谓的液氧包括商业液氧或现场制备的液氧。本发明中，在设置所述内燃燃烧室的结构中，所述低温冷源以直接与所述工质闭合回路连通使所述低温物质与所述工质闭合回路内的工质混合的方式，或者以经换热装置使所述低温物质与所述工质闭合回路内的工质换热的方式，对所述往复通道压气机中或即将进入所述往复通道压气机的工质进行冷却处理。在设置所述加热器的结构中，所述低温冷源以经换热装置使所述低温物质与所述工质闭合回路内的工质换热的方式对所述往复通道压气机中或即将进入所述往复通道压气机的工质进行冷却处理。热气机是一种工作循环接近卡诺循环的动力机构，其热效率的计算可以参考卡诺循环热效率计算公式:
，从中可知，当冷源温度T2下降时，热效率n升高，而且向冷源排放的热量减少，
如果冷源温度T2下降幅度很大，即冷源温度很低，则热效率η很高，向冷源排放的热量很小。由此推断，可用温度相当低的低温物质使冷源温度T2大幅下降，从而大幅减少向冷源排放的热量，有效提高发动机效率。温度越低的低温物质(例如液氧、液氮或液氦等)，在制造过程中需要消耗越多的能量，但是就单位质量而言，对发动机热效率n提升的贡献越大，就好比将能量存储在温度很低的物质中，相当于一种新型电池的概念，所述低温物质可以使用垃圾电等成本很低的能源来制造，从而有效降低发动机的使用成本。本发明中，在设置所述内燃燃烧室的结构中，所述低温冷源中的所述低温物质发挥冷却作用后，既可导入所述工质闭合回路中，作为所述做功单元热气机的循环工质，也可不导入所述工质闭合回路中。本发明中，所谓的氧化剂传感器是指对所述工质闭合回路中的氧化剂的含量进行检测的装置。所述氧化剂传感器对所述氧化剂控制装置提供信号，所述氧化剂控制装置根据所述氧化剂传感器提供的信号以及预先设定的所述工质闭合回路中静态或动态的氧化剂含量设定值对氧化剂控制阀进行控制以增加或减少向所述工质闭合回路中供给氧化剂的量，达到调控所述工质闭合回路中氧化剂的含量的目的。所述氧化剂含量的设定值可以是一个数值，也可以是一个数值区间，例如:所述工质闭合回路中的氧化剂含量的设定值可以为5%、10%或10% 12%等。所述氧化剂传感器可以设在远离所述内燃燃烧室的所述工质闭合回路上，可保证整个所述工质闭合回路是在富氧(氧含量大于零)状态下工作，使所述内燃燃烧室内发生稳定的燃烧化学反应，同时还可以防止积碳的发生。本发明中，所述工质闭合回路内的工质需要经过压缩、加热升温升压、做功以及被冷却的过程，这就要求所述工质闭合回路能承受一定压力，选择性地，所述工质闭合回路的承压能力可设为大于 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、IIMPa、11.5MPa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、20.5MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa、25MPa、26MPa、27MPa、28MPa、29MPa、30MPa、31MPa、32MPa、33MPa、34MPa、35MPa、36MPa、37MPa、38MPa、39MPa 或大于 40MPa。本发明中，所述工质闭合回路内工质压力与其承压能力相匹配，即所述工质闭合回路内的最高工质压力达到其承压能力。本发明中，所谓的燃料可以是碳氢化合物、碳氢氧化合物或固体碳。需要指出的是:采用固体碳作为燃料燃烧后没有水生成，且燃烧后产物中的二氧化碳浓度高，易液化；实施的过程中，固体碳可采用固体预先装配、粉末化后喷入、粉末化后再用液体或气体二氧化碳流化后喷入的方式进入所述内燃燃烧室。本发明中，应根据热能与动力领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统等。本发明的有益效果如下:本发明结构简单、效率高、造价低、使用寿命长。
图1所示的是本发明实施例1的结构示意图；图2所示的是本发明实施例2的结构示意图；图3所示的是本发明实施例3的结构示意图；图4所示的是本发明实施例4的结构示意图；图5所示的是本发明实施例5的结构示意图；图6所示的是本发明实施例6的结构示意图；图7所示的是本发明实施例7的结构示意图；图8所示的是本发明实施例8的结构示意图；图9所示的是本发明实施例9的结构示意图；图10所示的是本发明实施例10的结构示意图；图11所示的是本发明实施例11的结构示意图；图12所示的是本发明实施例12的结构示意图；图13所示的是本发明实施例13的结构示意图；图14所示的是本发明实施例14的结构示意图；图15所示的是本发明实施例15的结构示意图；图16所示的是本发明实施例16的结构示意图；图中:I气缸活塞机构、11进气口、12排气口、2加热器、3冷却器、4往复通道压气机、40往复流通口、6进气正时控制阀、61排气正时控制阀、7内燃燃烧室、8工质导出口、9填料式回热器、15工质回送系统、16液压动力机构、17气液隔离结构、18气液缸、19活塞液体机构、50低温冷源、51旁通口、52氧化剂控制装置、55氧化剂源、58氧化剂传感器、70附属涡轮动力机构、71附属叶轮压气机、72附属冷却器、75附属工质导出口、80活塞式空气压缩机构、81进气口、82排气口、83供气口、84回充口、91热交换器式回热器、100过程控制机构。
具体实施例方式实施例1如图1所示的做功单元热气机，包括气缸活塞机构1、加热器2、冷却器3和往复通道压气机4，所述气缸活塞机构I的气缸上设有进气口 11和排气口 12，所述往复通道压气机4设为气缸活塞式往复通道压气机，所述进气口 11与所述往复通道压气机4的往复流通口 40连通，在所述进气口 11与所述往复流通口 40之间的连通通道上设旁通口 51，所述排气口 12与所述旁通口 51连通，在所述进气口 11和所述旁通口 51之间的连通通道上设进气正时控制阀6，在所述排气口 12与所述旁通口 51之间的连通通道上设排气正时控制阀61 ;所述加热器2设在所述进气正时控制阀6与所述进气口 11之间的连通通道上；所述冷却器3设在所述旁通口 51与所述往复流通口 40之间的连通通道上。
本实施例中，所述工质闭合回路的承压能力可以根据需要设定，比如可以设为大于 2MPa。可选择地，所述加热器2可改设在所述气缸活塞机构I的气缸上，或在所述进气正时控制阀6与所述进气口 11之间的连通通道上和在所述气缸活塞机构I的气缸上同时设置或“同时设置且分别或择一处设置两个以上”。所述冷却器3可改设在所述往复通道压气机4的气缸上或改设在所述排气口 12与所述旁通口 51之间的连通通道上代替设置在所述旁通口 51与所述往复流通口 40之间的连通通道上，或者，所述冷却器3在所述往复通道压气机4的气缸上、所述排气口 12与所述往复流通口 40之间的连通通道上同时设置或“同时设置且分别或择一处设置两个以上”;所述往复通道压气机4还可以设为其他形式的往复通道压气机。本实施例所述的做功单元热气机工作过程如下:在所述气缸活塞机构I的活塞处于上止点附近时，打开所述进气正时控制阀6，经所述往复通道压气机4增压后的压缩工质流经所述加热器2所在连通通道时，压缩工质吸热(恒温吸热、吸热升压或吸热升温)后推动所述气缸活塞机构I的活塞下行对外做功，当所述气缸活塞机构I的活塞下行到一定程度时关闭所述进气正时控制阀6停止供送压缩工质；当所述气缸活塞机构I的活塞趋近下止点时(或越过下止点时)打开所述排气正时控制阀61，气体工质流经所述冷却器3所在连通通道时被冷却后进入所述往复通道压气机4的气缸内被压缩，如此循环周而复始对外做功。实施例2如图2所示的做功单元热气机，其与实施例1的区别在于:所述做功单元热气机还包括热交换器式回热器91，所述旁通口 51与所述进气口 11之间的连通通道设为所述热交换器式回热器91的被加热流体通道，所述旁通口 51与所述排气口 12之间的连通通道设为所述热交换器式回热器91的被冷却流体通道，所述加热器2改设在所述气缸活塞机构I的气缸上，所述冷却器3设在所述热交换器式回热器91的被冷却流体出口与所述往复流通口40之间的连通通道上。本实施例中，所述工质闭合回路的承压能力可以设为大于30MPa。作为可以变换的实施方式，所述加热器2可改设在所述热交换器式回热器91的被加热流体出口与所述进气口 11之间的连通通道上，或在上述两处同时设置，或在上述两处同时设置且分别或择一处设置两个以上。作为可以变换的实施方式，所述冷却器3可以改设在所述往复通道压气机4上代替设置在所述热交换器式回热器91的被冷却流体出口与所述往复流通口 40之间的连通通道上，或者，所述冷却器3可以在所述往复通道压气机4上和在所述述热交换器式回热器91的被冷却流体出口与所述往复流通口 40之间的连通通道上同时设置或“同时设置且分别或择一处设置两个以上”。实施例3如图3所示的做功单元热气机，其与实施例1的区别在于:在所述旁通口 51与所述冷却器3之间的连通通道上设填料式回热器9。本实施例中，所述冷却器3设置在所述旁通口 51与所述往复流通口 40之间连通通道上，作为可以变换的实施方式，所述冷却器3可以改为设置在所述往复通道压气机4上代替设置在所述旁通口 51与所述往复流通口 40之间连通通道上，此时可以参照本实施例在所述旁通口 51与所述往复流通口 40之间的连通通道上设所述填料式回热器9。本实施例中，所述工质闭合回路的承压能力设为大于20MPa。实施例4如图4所示的做功单元热气机，包括气缸活塞机构1、内燃燃烧室7、冷却器3、往复通道压气机4和工质导出口 8，所述气缸活塞机构I的气缸上设有进气口 11和排气口 12，所述进气口 11与所述往复通道压气机4的往复流通口 40连通，在所述进气口 11与所述往复流通口 40之间的连通通道上设旁通口 51，所述排气口 12与所述旁通口 51连通，在所述进气口 11和所述旁通口 51之间的连通通道上设进气正时控制阀6，在所述排气口 12与所述旁通口 51之间的连通通道上设排气正时控制阀61 ;所述内燃燃烧室7设在所述气缸活塞机构I的气缸内，所述往复通道压气机4设为气缸活塞式往复通道压气机，所述冷却器3设在所述往复通道压气机4的气缸上；所述工质导出口 8设置在所述旁通口 51与所述往复流通口 40之间的连通通道上。本实施例中，所述工质闭合回路的承压能力可以设为大于lOMPa。可选择地，所述内燃燃烧室7可改设在所述进气正时控制阀6与所述进气口 11之间的连通通道内，或在同时设置在所述进气正时控制阀6与所述进气口 11之间的连通通道内和所述气缸活塞机构I的气缸内。所述冷却器3还可择一设在所述旁通口 51与所述往复流通口 40之间的连通通道上、所述排气口 12与所述旁通口 51之间的连通通道上，或在所述往复通道压气机4的气缸上和在所述排气口 12与所述往复流通口 40之间的连通通道上同时设置；可以设定从所述内燃燃烧室7排出的物质的质量流量大于从工质闭合回路外导入所述内燃燃烧室7的物质的质量流量；所述工质导出口 8可以设置在所述工质闭合回路其他任何位置，不影响所述工质导出口 8发挥作用；所述往复通道压气机4还可以设为其他形式的往复通道压气机。本实施例所述的做功单元热气机工作过程如下:在所述气缸活塞机构I的活塞处于上止点附近时，打开所述进气正时控制阀6，将经所述往复通道压气机4增压后的压缩工质直接供送到所述内燃燃烧室7内，压缩工质在所述内燃燃烧室7内吸热(恒温吸热、吸热升压或吸热升温)后推动所述气缸活塞机构I的活塞下行对外做功，当所述气缸活塞机构I的活塞下行到一定程度时关闭所述进气正时控制阀6停止供送压缩工质；当所述气缸活塞机构I的活塞趋近下止点时(或越过下止点时)打开所述排气正时控制阀61，气体工质直接进入设有所述冷却器3的所述往复通道压气机4的气缸并在其中同时冷却和压缩，如此循环周而复始对外做功。由于燃料在所述内燃燃烧室7中燃烧会产生气体工质，将增大所述工质闭合回路中气体工质的量，因此当所述工质闭合回路中压力过大时,可经所述工质导出口 8导出部分工质。实施例5如图5所示的做功单元热气机，其与实施例4的区别在于:在所述旁通口 51与所述往复流通口 40之间的连通通道上设填料式回热器9，具体的所述填料式回热器9设在所述旁通口 51与所述工质导出口 8之间。本实施例中，所述工质闭合回路的承压能力可以设为大于25MPa。当所述冷却器3设置在所述旁通口 51与所述往复流通口 40之间的连通通道上时，可以参照本实施例，在所述旁通口 51与所述冷却器3之间的连通通道上设所述填料式回热器9。本实施例中，所述填料式回热器9设置所述旁通口 51与所述冷却器3之间的连通通道的所述旁通口 51与所述工质导出口 8之间的部分上，这样在需要导出的工质被所述填料式回热器9加热之前导出，避免了热量的外排，当然，所述填料式回热器9设置所述旁通口 51与所述往复流通口 40之间的连通通道上的其他位置。实施例6如图6所示的做功单元热气机，其与实施例4的区别在于:所述做功单元热气机还包括热交换器式回热器91，所述进气正时控制阀6与所述进气口 11之间的连通通道设为所述热交换器式回热器91的被加热流体通道，所述排气正时控制阀61与所述排气口 12之间的连通通道设为所述热交换器式回热器91的被冷却流体通道，所述冷却器3改设在所述工质导出口 8与所述往复流通口 40之间的连通通道上。本实施例中，所述工质闭合回路的承压能力可以设为大于40MPa。本实施例中，所述内燃燃烧室7设在所述气缸活塞机构I的气缸内，选择性地，所述内燃燃烧室7可设在所述热交换器式回热器91的被加热流体出口与所述进气口 11之间的连通通道内，或在上述两处分别设置；所述冷却器3还可以改设在所述往复通道压气机4上或改设在所述热交换器式回热器91的被冷却流体出口与所述往复流通口 40之间的连通通道上的其他位置上，或在所述热交换器式回热器91的被冷却流体出口与所述往复流通口 40之间的连通通道上和所述往复通道压气机4上同时设置；还可以将所述进气正时控制阀6与所述旁通口 51之间的连通通道设为所述热交换器式回热器91的被加热流体通道，将所述排气正时控制阀61与所述旁通口 51之间的连通通道设为所述热交换器式回热器91的被冷却流体通道。实施例7如图7所示的做功单元热气机，其与实施例4的区别在于:取消设置在所述气缸活塞机构I的气缸内的所述内燃燃烧室7，在所述进气正时控制阀6与所述进气口 11之间的连通通道上设内燃燃烧室7，所述做功单元热气机还包括热交换器式回热器91，所述进气口 11与所述往复流通口 40之间的连通通道设为所述热交换式回热器91的被加热流体通道，所述热交换式回热器91的被冷却流体入口与所述旁通口 51连通，所述热交换式回热器91的被冷却流体出口设在所述旁通口 51与所述往复流通口 40之间的连通通道内。本发明的所有未设置回热器(填料式回热器或热交换器式回热器)的实施方式中，都可以参照本实施例设置所述热交换式加热器91。实施例8如图8所示的做功单元热气机，其与实施例5的区别在于:所述工质导出口 8改为设在所述旁通口 51与所述填料式回热器9之间的连通通道上，所述做功单元热气机还包括涡轮动力机构70和叶轮压气机71，所述工质导出口 8与所述涡轮动力机构70的工质入口连通，所述涡轮动力机构70的工质出口经附属冷却器72与所述叶轮压气机71的工质入口连通，所述叶轮压气机71的工质出口与所述旁通口 51和所述进气正时控制阀6之间的连通通道连通；在所述附属冷却器72与所述叶轮压气机71的工质入口之间的连通通道上设附属工质导出口 75。本实施例中，所述工质闭合回路的承压能力可以设为大于35MPa。可选择地，所述叶轮压气机71的工质出口也可与所述工质闭合回路的其他位置连通；所述工质导出口 8也可以改为设置在所述工质闭合回路的其他位置上；所述附属工质导出口 75还可改设在所述涡轮动力机构70的工质出口和所述附属冷却器72之间的连通通道上；所述冷却器3、所述填料式回热器9可以不设，也可以择一设置或者可以改为设置在其它位置，或者参照实施6设置所述热交换器式回热器91。本实施例中，利用所述工质导出口 8导出的工质再次做功，经冷却后导出一部分，剩下部分经压缩后再返回所述工质闭合回路内。实施例9如图9所示的做功单元热气机，其与实施例5的区别在于:所述做功单元热气机还包括四类门气缸活塞机构80，所述四类门气缸活塞机构80的供气口 83与所述内燃燃烧室7连通，所述四类门气缸活塞机构80的所述回充口 84与所述工质导出口 8连通。本实施例中，工质闭合回路的承压能力可以设为大于40MPa。本实施例中，所述四类门气缸活塞机构80能利用所述工质导出口 8导出的工质做功。所述四类门气缸活塞机构80可以受使所述四类门气缸活塞机构80受使其按照吸气冲程-压气供气冲程-气体回充做功冲程-排气冲程模式循环工作的控制机构控制。作为可以变换的实施方式，所述工质导出口 8也可以设置在工质闭合回路的其他位置；所述填料式回热器9可以不设，或者改为设置在其它位置，或者参照实施6设置所述热交换器式回热器91。实施例10如图10所示的做功单元热气机，其与实施例5的区别在于:所述做功单元热气机还包括氧化剂源55、氧化剂传感器58和氧化剂控制装置52，所述氧化剂传感器58设在所述工质闭合回路内，所述氧化剂传感器58对所述氧化剂控制装置52提供信号，所述氧化剂源55经氧化剂控制阀53与所述工质闭合回路连通，所述氧化剂控制装置52控制所述氧化剂控制阀53。本实施例中，所述工质闭合回路的承压能力可以设为大于28MPa。选择性地，所述氧化剂源55可以设为活塞式空气压缩机构；所述工质导出口 8也可以改为设置在工质闭合回路的其他位置上；所述填料式回热器9可以不设，或者改为设置在其它位置，或者参照实施6设置所述热交换器式回热器91 ;还可以参照实施例8在本实施例的结构上设置所述附属涡轮动力机构70和附属叶轮压气机71等的结构或参照实施例9设置所述四类门气缸活塞机构80 ;所述氧化剂传感器58可设在所述工质闭合回路的其他位置，例如设在所述气缸活塞机构I的气缸内，设在连通通道内或设在所述往复通道压气机4的气缸内等，用于检测所述工质闭合回路内的氧含量，所述氧化剂传感器58对所述氧化剂控制装置52提供信号，所述氧化剂控制装置52根据所述氧化剂传感器58提供的信号以及预先设定的所述工质闭合回路中静态或动态的氧化剂含量设定值对氧化剂控制阀进行控制以增加或减少向所述工质闭合回路中供给氧化剂的量，达到调控所述工质闭合回路中氧化剂的含量的目的。实施例11
如图11所示的做功单元热气机，其与实施例5的区别在于:所述气缸活塞机构I和所述往复通道压气机4均设为活塞液体机构19，所述活塞液体机构19包括气液缸18和气液隔离结构17，所述气液隔离结构17设在所述气液缸18内。本实施例中，可以将所述气液缸18内的气体工质对所述气液隔离结构17的压力设为大于所述气液缸18内的液体和所述气液隔离结构17做往复运动时的惯性力之和。所述气液缸18的液体端与液压动力机构16连通，所述液压动力机构16与液体工质回送系统15连通，所述液体工质回送系统15与所述气液缸18的液体端连通；所述液压动力机构16和所述液体工质回送系统15受过程控制机构100控制。本实施例中，所述工质闭合回路的承压能力可以设为大于15MPa。在具体实施过程中，可将所述气缸活塞机构I和所述往复通道压气机4中的一个设为所述活塞液体机构19，另一个根据使用的需要进行选择。作为可以变换的实施方式，所述工质导出口 8也可以设置在工质闭合回路的其他位置；所述填料式回热器9可以不设，或者改为设置在其它位置，或者参照实施6设置所述热交换器式回热器91 ;还可以参照实施例8在本实施例的结构上设置所述附属涡轮动力机构70和附属叶轮压气机71等的结构或参照实施例9设置所述四类门气缸活塞机构80。本实施例中的结构同样适用于本发明中的其它实施例，例如，在包含所述加热器2的结构中，可以参照本实施例，将所述气缸活塞机构I和所述往复通道压气机4均设为活塞液体机构19的结构，或其中一个设为所述活塞液体机构19，另一个根据使用的需要进行选择。实施例12如图12所示的做功单元热气机，其与实施例3的区别在于:所述做功单元热气机还包括低温冷源50，所述低温冷源50用于提供低温物质，所述低温物质通过与所述填料式回热器9与所述冷却器3之间的连通通道进行热交换来实现对即将进入所述往复通道压气机4的工质进行冷却。选择性地，所述低温冷源50中的低温物质还可单独或同时与所述往复通道压气机4的气缸进行热交换，从而实现对所述往复通道压气机4中的工质和/或即将进入所述往复通道压气机4的工质进行冷却；在设置所述热交换器式回热器91的结构中，可以参照本实施例设置所述低温冷源50 ;在不设所述热交换器式回热器91、也不设所述填料式回热器9的结构中，可以在所述冷却器3与所述排气正时控制阀61之间的连通通道上设置所述低温冷源50。实施例13如图13所示的做功单元热气机，其与实施例5的区别在于:所述工质导出口 8改设在所述旁通口 51与所述填料式回热器9之间的连通通道上，所述做功单元热气机还包括低温冷源50，所述低温冷源50与所述往复通道压气机4的气缸连通，所述低温冷源50用于提供低温物质，从而实现对所述往复通道压气机4中的工质进行冷却。本实施例中，工质闭合回路的承压能力可以设为大于26MPa。选择性地，所述低温冷源50还可单独或同时与连通所述往复流通口 40的连通通道连通，从而实现对所述往复通道压气机4中的工质和/或即将进入所述往复通道压气机4的工质进行冷却；所述低温冷源50提供的低温物质还可以参考实施例12通过热交换的方式对所述进排分置压气机4中的工质和/或即将进入所述进排分置压气机4的工质进行冷却；在设置所述热交换器式回热器91的结构中，可以参照本实施例设置所述低温冷源50 ；在不设所述热交换器式回热器91、也不设所述填料式回热器9的结构中，可以在所述冷却器3与所述排气正时控制阀61之间的连通通道上设置所述低温冷源50。实施例14如图14所示的做功单元热气机，其与实施例3的区别在于:所述往复通道压气机4设为可正反转且一端连接储气罐的罗茨机构。实施例15如图15所示的做功单元热气机，其与实施例1的区别在于:在所述气缸活塞机构I的气缸内设填料式回热器9，所述加热器2设置在所述气缸活塞机构I的活塞与所述填料式回热器9之间的所述气缸活塞机构I的气缸内代替设在所述进气正时控制阀6与所述进气口 11之间的连通通道上。实施例16如图16所示的做功单元热气机，其与实施例3的区别在于:在所述气缸活塞机构I的气缸内设填料式回热器9，所述内燃燃烧室7设置在所述气缸活塞机构I的活塞与所述填料式回热器9之间的所述气缸活塞机构I的气缸内。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。
权利要求
1.一种做功单兀热气机,包括气缸活塞机构(I)、加热器(2)和冷却器(3),所述气缸活塞机构(1)的气缸上设有进气口(11)和排气口(12)，其特征在于:所述做功单元热气机还包括往复通道压气机(4)，所述进气口(11)与所述往复通道压气机(4)的往复流通口(40)连通，在所述进气口( 11)与所述往复流通口( 40 )之间的连通通道上设旁通口( 51)，所述排气口( 12 )与所述旁通口( 51)连通，在所述进气口( 11)和所述旁通口( 51)之间的连通通道上设进气正时控制阀(6 )，在所述排气口( 12 )与所述旁通口( 51)之间的连通通道上设排气正时控制阀(61);所述加热器(2)设在所述气缸活塞机构(I)的气缸上和/或设在所述进气正时控制阀(6)与所述进气口(11)之间的连通通道上；所述冷却器(3)设在所述往复通道压气机(4)上和/或设在所述排气口(12)与所述往复流通口(40)之间的连通通道上。
2.如权利要求1所述做功单元热气机，其特征在于:所述做功单元热气机还包括热交换器式回热器(91)，所述旁通口(51)与所述进气口(11)之间的连通通道设为所述热交换器式回热器(91)的被加热流体通道，所述旁通口(51)与所述排气口(12)之间的连通通道设为所述热交换器式回热器(91)的被冷却流体通道，所述加热器(2)设在所述热交换器式回热器(91)的被加热流体出口与所述进气口(11)之间的连通通道上和/或设在所述气缸活塞机构(I)的气缸上，所述冷却器(3)设在所述热交换器式回热器(91)的被冷却流体出口与所述往复流通口(40)之间的连通通道上和/或设在所述往复通道压气机(4)上。
3.如权利要求1所述做功单元热气机，其特征在于:在所述冷却器(3)设置在所述排气口( 12 )与所述旁通口( 51)之间的结构中，在所述排气口( 12 )与所述冷却器(3 )之间设热交换式回热器(91)，所述热交换式回热器(91)对进入所述加热器(2)之前的工质进行加热；在所述冷却器(3 )设置在所述旁通口( 51)与所述往复流通口( 40 )之间连通通道上的结构中，在所述旁通口( 51)与所述冷却器(3)之间的连通通道上设填料式回热器(9);在所述冷却器(3)设置在所述往复通道压气机(4)上的结构中，在所述旁通口(51)与所述往复流通口(40)之间的连通通道上设填料式回热器(9)。
4.一种做功单元热气机，包括气缸活塞机构(I)、内燃燃烧室(7)和冷却器(3)，所述气缸活塞机构(I)的气缸上设有进气口(11)和排气口(12)，其特征在于:所述做功单元热气机还包括往复通道压气机(4)和工质导出口(8)，所述进气口(11)与所述往复通道压气机(4)的往复流通口(40)连通，在所述进气口(11)与所述往复流通口(40)之间的连通通道上设旁通口( 51)，所述排气口( 12 )与所述旁通口( 51)连通，在所述进气口( 11)和所述旁通口(51)之间的连通通道上设进气正时控制阀(6)，在所述排气口(12)与所述旁通口(51)之间的连通通道上设排气正时控制阀(61);所述内燃燃烧室(7)设在所述气缸活塞机构(I)的气缸内和/或设在所述进气正时控制阀(6 )与所述进气口( 11)之间的连通通道内；所述冷却器(3 )设在所述往复通道压气机(4 )上和/或设在所述排气口( 12 )与所述往复流通口(40)之间的连通通道上；所述工质导出口(8)设置在工质闭合回路上。
5.如权利要求4所述做功单元热气机，其特征在于:所述冷却器(3)设在所述排气正时控制阀(61)与所述往复流通口( 40 )之间的连通通道上，所述工质导出口( 8 )设置在所述冷却器(3 )与所述排气正时控制阀(61)之间的连通通道上。
6.如权利要求4所述做功单元热气机，其特征在于:所述做功单元热气机还包括热交换器式回热器(91)，所述旁通口(51)与所述进气口(11)之间的连通通道设为所述热交换器式回热器(91)的被加热流体通道，所述旁通口(51)与所述排气口(12)之间的连通通道设为所述热交换器式回热器(91)的被冷却流体通道，所述内燃燃烧室(7)设在所述热交换器式回热器(91)的被加热流体出口与所述进气口(11)之间的连通通道内和/或设在所述气缸活塞机构(I)的气缸内，所述冷却器(3)设在所述热交换器式回热器(91)的被冷却流体出口与所述往复流通口(40)之间的连通通道上和/或设在所述往复通道压气机(4)上。
7.如权利要求4所述做功单元热气机，其特征在于:在所述冷却器(3)设置在所述排气口(12)与所述旁通口(51)之间的结构中，在所述排气口(12)与所述冷却器(3)之间设热交换式回热器(91)，所述热交换式回热器(91)对进入所述内燃燃烧室(7)之前的工质进行加热；在所述冷却器(3)设置在所述旁通口(51)与所述往复流通口(40)之间的连通通道上的结构中，在所述旁通口(51)与所述冷却器(3)之间的连通通道上设填料式回热器(9);在所述冷却器(3)设置在所述往复通道压气机(4)上的结构中，在所述旁通口(51)与所述往复流通口(40)之间的连通通道上设填料式回热器(9)。
8.如权利要求1或4所述做功单元热气机，其特征在于:所述做功单元热气机还包括热交换器式回热器(91)，所述进气口(11)与所述往复流通口(40)之间的连通通道设为所述热交换式回热器(91)的被加热流体通道，所述热交换式回热器(91)的被冷却流体入口与所述旁通口(51)连通，所述热交换式回热器(91)的被冷却流体出口设在所述旁通口(51)与所述往复流通口(40)之间的 连通通道内。
9.如权利要求1或4所述做功单元热气机，其特征在于:所述往复通道压气机(4)设为气缸活塞式往复通道压气机。
10.如权利要求4所述做功单元热气机，其特征在于:所述做功单元热气机还包括涡轮动力机构(70)和叶轮压气机(71)，所述工质导出口(8)与所述涡轮动力机构(70)的工质入口连通，所述涡轮动力机构(70)的工质出口经附属冷却器(72)与所述叶轮压气机(71)的工质入口连通，所述叶轮压气机(71)的工质出口与所述工质闭合回路连通；在所述涡轮动力机构(70)的工质出口与所述叶轮压气机(71)的工质入口之间的连通通道上设附属工质导出口(75)。
全文摘要
本发明公开了一种做功单元热气机，包括气缸活塞机构、加热器、冷却器和往复通道压气机，所述气缸活塞机构的进气口与所述往复通道压气机的往复流通口连通，在所述进气口与所述往复流通口之间的连通通道上设旁通口，所述气缸活塞机构的排气口与所述旁通口连通，在所述进气口和所述旁通口之间设进气正时控制阀，在所述排气口与所述旁通口之间设排气正时控制阀；所述加热器设在所述气缸活塞机构的气缸上和/或设在所述进气正时控制阀与所述进气口之间的连通通道上；所述冷却器设在所述往复通道压气机上和/或设在所述排气口与所述往复流通口之间的连通通道上。本发明结构简单、效率高。
文档编号F02G1/045GK103195606SQ20131008648
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月18日 优先权日2012年4月1日
发明者靳北彪 申请人:摩尔动力(北京)技术股份有限公司