一种外燃式液体发动机的制作方法

本发明涉及热能与动力技术领域，具体而言，涉及一种外燃式液体发动机。

背景技术：

发动机一般指的是热机，是一种将燃料或者其他能源转换为工质的热能并将热能进一步转化为机械能输出的一种装置。现有的发动机包括内燃机、外燃机、电动机等。外燃机，是指其燃料在发动机的外部燃烧，可将这种燃烧产生的热能转化成动能的发动机，例如斯特林发动机；内燃机，是指其燃料在发动机内部燃烧，可将这种燃烧产生的热能转化成动能的热力发动机，常见的有汽油机、柴油机等。

本申请的发明人发现：现有技术中的大部分发动机的输出功率都不容易提高，应用也因此受到限制。现有的外燃机，其输出功率不易提高，技术难度大；现有技术中的内燃机的输出功率则受内燃机一次工作燃烧的燃料的量控制，而燃烧的燃料量受气缸进入的氧气量的限制，由于正常状态下空气中氧气的含量相对稳定，导致内燃机的输出功率的提高同样受到限制，不易提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种外燃式液体发动机，其具有相对现有的外燃式发动机而言更高的输出功率，输出功率得到了较大的提高，性能稳定；节约资源。

本发明的实施例是这样实现的：

一种外燃式液体发动机，其包括气缸活塞式传动机构、工质气化室、工质供给装置和用于为工质气化室提供热量的加热器。气缸活塞式传动机构的气缸与工质汽化室连通。工质供给装置包括工质喷头和工质增压供给装置，工质喷头的出口与工质汽化室连通，工质喷头的进口与工质增压供给装置的出口连通。气缸和/或工质气化室设有排气管，排气管具有用于控制其开闭的单向控制阀。其具有相对现有的外燃式发动机而言更高的输出功率，输出功率得到了较大的提高，节约资源。

本发明实施例的有益效果是：外燃式液体发动机采用的工质为液体工质。外燃式液体发动机利用工质在工质气化室气化体积膨胀来推动气缸活塞式传动机构的活塞在气缸中运动，从而向外界提供动力。外燃式液体发动机利用工质气化体积膨胀来对外做功，由于液态的工质气化后的体积与气化前的体积差异远远大于本身为气态的工质受热前后的体积差异，在预先加入的工质体积相同的情况下，外燃式液体发动机相比现有的外燃机而言在单位时间内可以为外界提供更多的功，外燃式液体发动机的输出功率相比现有外燃机而言得到了较大的提高。工质供给装置具有的工质喷头可以使液态的工质在进入工质气化室时充分分散，有利于工质快速受热气化并对外做功，保证了外燃式液体发动机具有较高的输出功率。

本发明与现有技术中的内燃机相比，在工作过程中，不受氧气等条件的限制，只要提供足够的热量使工质能够顺利气化并且提供工质气化后用于膨胀的空间，便可以很大程度的提高一次做功过程中时工质的量，即可进一步提高本外燃式液体发动机的输出功率。而且，该外燃式液体发动机是二冲程发动机，与四冲程发动机相比，输出功率更加平稳，可靠性更强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的外燃式液体发动机的示意图；

图2为本发明实施例2提供的外燃式液体发动机的示意图；

图3为本发明实施例3提供的外燃式液体发动机的示意图；

图4为本发明实施例4提供的外燃式液体发动机的示意图。

图标：100-外燃式液体发动机；110-气缸活塞式传动机构；111-气缸；112-传动轴；113-曲柄销；114-曲柄臂；115-活塞；116-活塞杆；117-飞轮；120-工质气化室；130-工质供给装置；131-工质喷头；132-工质增压装置；133-工质储存装置；133a-工质补加口；134-工质液化装置；140-加热器；150-排气管；151-单向控制阀；160-隔热件；200-外燃式液体发动机；300-外燃式液体发动机；312-传动轴组；320-工质气化室；400-外燃式液体发动机；410-加热罩；411-加热腔；412-进气口；413-出气口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参照图1，本实施例提供一种外燃式液体发动机100。外燃式液体发动机100包括气缸活塞式传动机构110、工质气化室120、工质供给装置130和用于为工质气化室120提供热量的加热器140。气缸活塞式传动机构110的气缸111与工质气化室120连通，工质供给装置130用于向工质气化室120供应液体工质。气缸111设有排气管150。

进一步地，本发明实施例提供的外燃式液体发动机100的工质为液体工质，具体为去盐水、甲醇和乙醇中的任意一种。在本实施例中，工质为去盐水。

以工质供给装置130为起点的外燃式液体发动机100的做功过程为：工质由工质供给装置130进入工质气化室120，工质在工质气化室120吸收加热器140所提供的热量气化成气态，由于工质由液态转变为气态，体积急剧膨胀，气态的工质推动气缸活塞式传动机构110对外做功，完成对外做功的气态的工质由排气管150排出。

外燃式液体发动机100采用的是液体工质，由于液体工质气化后的体积与气化前的体积差异远远大于气态工质受热前后的体积差异，在加入的工质体积相同的情况下，外燃式液体发动机100相比现有的外燃机而言在单位时间内可以为外界提供更多的功，外燃式液体发动机100的输出功率相比现有外燃机而言得到了较大的提高。

进一步地，气缸活塞式传动机构110还包括传动轴112、曲柄销113、曲柄臂114、活塞115、活塞杆116和飞轮117。活塞115可滑动地设于气缸111，活塞杆116的一端与活塞115铰接，活塞杆116的另一端通过曲柄销113与曲柄臂114连接至传动轴112。飞轮117与传动轴112同轴连接。

进一步地，排气管150具有用于控制其开闭的单向控制阀151。当活塞115由下止点向上止点运动时，单向控制阀151处于关闭状态；当活塞115由上止点向下止点运动时，单向控制阀151处于开启状态。

工质在工质气化室120吸收加热器140所提供的热量气化成气态后，气态的工质推动活塞115由下止点向上止点运动，活塞115通过活塞杆116、曲柄销113和曲柄臂114带动传动轴112和飞轮117。当活塞115移动到上止点后，由于飞轮117的惯性，传动轴112和飞轮117继续转动，此时活塞115将由上止点向下止点运动，单向控制阀151也由关闭状态转换为开启状态，气态的工质由排气管150排出。于是工质完成了一次对外做功。

进一步地，工质气化室120与气缸活塞式传动机构110的气缸111之间设置有隔热件160。隔热件160可以减少热量由工质气化室120的侧壁直接传导至气缸111，大大降低了工质气化室120与气缸111之间的直接热传递。一方面保护了活塞115，保证活塞115可以正常运作，另一方面减少了工质气化室120的热量散失，节约能源。

进一步地，工质供给装置130包括工质喷头131、工质增压装置132、工质储存装置133和工质液化装置134。工质喷头131的出口与工质气化室120连通，工质喷头131的进口与工质增压装置132的出口连通，工质增压装置132的进口与工质储存装置133的出口连通，工质储存装置133的进口与工质液化装置134的出口连通，工质液化装置134的进口与排气管150的出口连通。工质增压装置132、工质储存装置133组成工质增压供给装置，用于对液态的工质的储存、增压和供应。

气态的工质由排气管150排出时，气态的工质通过排气管150进入工质液化装置134重新液化为液态，液态的工质由工质液化装置134进入工质储存装置133汇总储存。工质储存装置133则用于向工质增压装置132供应液态的工质，液态的工质在工质增压装置132中增压并由工质喷头131喷入工质气化室120。喷入工质气化室120的液态的工质再次吸热气化并对外做功。如此完成工质的循环。

工质供给装置130具有以下优势：第一，实现了工质的循环利用，大大减小了工质的补充量，节约资源。第二，实现工质循环利用的同时，避免了气态的工质直接排放到空气中，避免了可能造成的环境污染。第三，工质增压装置132可以增大液态的工质的压力，使得液态的工质在气化的过程中体积变化更大，单位体积的液态的工质可以对外做更多的功，有助于外燃式液体发动机100的功率进一步提高。第四，工质喷头131可以使液态的工质在进入工质气化室120时更加的分散、均匀，有助于液态的工质快速、充分地气化，与未设置工质喷头131的情况相比，液态的工质的气化速率明显提高，提高了工质的气化速率，缩短工质气化所需的时间，相当于在一定的时间内工质可以完成更多次的膨胀做功，则单位时间内工质可以对外做更多的功，这样不仅保证了工质的做工连续性与稳定性，即提高了外燃式液体发动机100的运转稳定性，并且有助于进一步提高外燃式液体发动机100的功率。

外燃式液体发动机100具有两个冲程。第一个冲程是活塞115由下止点运动到上止点的过程，该过程中气态的工质对活塞115做功，同样是外燃式液体发动机100的动力输出过程；第二个冲程是活塞115由上止点向下止点运动的过程，在该过程中气态的工质由排气管150排出。外燃式液体发动机100与四冲程热机相比冲程较少，运作较简单，有利于保持其运转状态的稳定。

需要说明的是，在本实施例中，加热器140加热工质气化室120的温度为100℃～2000℃，较优选地，加热器140加热工质气化室120的温度为300℃～2000℃。当加热器140加热工质气化室120的温度达到100℃时，外燃式液体发动机100即可开始运转，当温度达到300℃时，外燃式液体发动机100可实现持续稳定运转。在该温度范围内，温度越高，外燃式液体发动机100的功率越大。现有的外燃机一般需要其热腔的温度达到700℃才可正常运转，而外燃式液体发动机100可以在更低的加热温度下就开始正常运作，外燃式液体发动机100具有更广阔的应用范围。

更优选地，加热器140加热工质气化室120的温度为900℃～1500℃。

需要说明的是，工质为甲醇时，加热器140加热工质气化室120的温度为70℃～900℃，较优选地，加热器140加热工质气化室120的温度为80℃～800℃。工质为乙醇时，加热器140加热工质气化室120的温度为80℃～900℃，较优选地，加热器140加热工质气化室120的温度为85℃～850℃。

排气管150设于气缸111可以防止排气管150受到来自于工质气化室120的侧壁的直接热量传递，避免由于排气管150温度过高而造成工质液化装置134的热负荷过大甚至损坏的情况，同时也可以防止高温损坏工质液化装置134与排气管150之间的管路。具体地，排气管150设于气缸111且位于活塞115的下止点的靠近工质气化室120一侧。

进一步地，在本实施例中，工质喷头131为雾化喷头。工质喷头131可以预先将液态的工质雾化，使得工质的气化速率大大提高，保证工质可以快速充分气化，保证外燃式液体发动机100的持续稳定运转。具体地，在本实施例中，工质喷头131所产生的雾滴直径为400μm～2000μm，较优选地，雾滴直径为500μm～1000μm。加热器140加热工质气化室120的温度、雾滴直径对工质气化时间的影响如表1所示：

表1不同温度及雾滴直径对应的工质水气化时间

由表1可以看出，温度越高、雾滴直径越小，工质水的气化时间越短。为了进一步提高外燃式液体发动机100的功率，可以在提高加热器140加热工质气化室120的温度的同时减小工质喷头131喷出的工质的雾滴直径，使得工质气化时间缩短，有利于外燃式液体发动机100在单位时间内对外做更多的功。

进一步地，在本实施例中，工质储存装置133设有用于补加工质的工质补加口133a。工质补加口133a可以用于补充由于外燃式液体发动机100长时间运作而造成的工质损失。

在本发明的较优选的实施例中，隔热件160处设置有工质喷头131和/或排气管150。隔热件160处设置工质喷头131时，工质喷头131贯穿隔热件160与工质气化室120连通。隔热件160可以隔离工质气化室120与气缸111对工质喷头131的直接热传递，防止工质喷头131温度过高而导致液态的工质在工质喷头131中就开始发生气化，避免由于工质喷头131中的压力剧增而出现工质喷头131炸裂，延长了工质喷头131的使用寿命，提高了外燃式液体发动机100的运行稳定性。隔热件160处设置排气管150时，排气管150贯穿隔热件160并与气缸111连通。隔热件160同样可以隔离工质气化室120与气缸111对排气管150的直接热传递，防止排气管150温度过高而使排气管150与工质液化装置134之间发生热传递，避免额外增加工质液化装置134的热负荷，有利于减小工质液化装置134的能耗。

在本发明的另一些实施例中，排气管150还可以设于工质气化室120的侧壁，此时可以选择在排气管150与工质气化室120之间设置隔热件160，隔热件160套设于排气管150，防止排气管150受到来自于工质气化室120的侧壁的直接热量传递而温度过高。

在本发明的又一些实施例中，工质喷头131的数量可以设置为多个。多个工质喷头131可以提高一次性喷入工质气化室120的液态的工质的量，可以提高工质在一次膨胀做功的过程中的做功效率与强度，并可以有效提高气态工质对活塞115的压强，有助于提高外燃式液体发动机100的功率与马力。

进一步地，多个工质喷头131还可以沿工质气化室120的周向均匀间隔设置。多个工质喷头131沿工质气化室120的周向均匀间隔设置可以使液态的工质进入工质气化室120时沿工质气化室120的周向尽可能分散、均匀化，有利于工质迅速气化，提高工质气化速率，缩短工质气化所需的时间，相当于在一定的时间内工质可以完成更多次的膨胀做功，这样有助于外燃式液体发动机100的功率进一步提高。

需要说明的是，工质喷头131可以是间歇式喷入工质，也可以是连续式喷入工质。

进一步地，工质增压装置132将工质增压至300Pa～18MPa。具体地，工质喷头131采用间歇式喷入工质时，当活塞115位于下止点时，工质喷头131则进行工质的喷入，此时工质增压装置132将工质增压至300Pa～3MPa，较优选地，工质增压装置132将工质增压至500Pa～2MPa。工质喷头131采用连续式喷入工质时，此时工质增压装置132将工质增压至2MPa～18MPa，较优选地，工质增压装置132将工质增压至5MPa～15MPa。

利用工质增压装置132对工质进行增压，一方面有利于工质在通过工质喷头131时充分雾化，使工质雾化成满足本实施例要求的直径的雾滴，保证工质能够在工质气化室120中充分并迅速气化，保证外燃式液体发动机100运行的稳定性。另一方面，由于在外燃式液体发动机100运行过程中，工质气化室120与气缸111中的压力均较大，利用工质增压装置132对工质进行增压可以保证工质能够被顺利喷入工质气化室120，保证燃式液体发动机100的持续稳定运行。

在本发明的再一些实施例中，工质供给装置130还可以设置工质预热装置。工质预热装置可以是电预热套，但不仅限于此。该电预热套套设于工质储存装置133以及连接工质储存装置133与工质增压装置132的管路，工质为去盐水时，该电预热套的预热温度为75℃～95℃，较优选地，预热温度为90℃～95℃。工质为甲醇时，该电预热套的预热温度为10℃～40℃，较优选地，预热温度为20℃～30℃。工质为乙醇时，该电预热套的预热温度为10℃～50℃，较优选地，预热温度为20℃～40℃。一般情况下，使用甲醇或乙醇作为工质时一般不需要进行预热，环境温度即可达到预热的目的，当在低于10℃的环境中使用时，才考虑使用工质预热装置进行预热，这样可以减少工质预热装置的能耗，使外燃式液体发动机100更加节能。较优选地，一般选择去盐水作为工质，去盐水作为工质具有成本低、无污染、安全等优点。

设置工质预热装置具有以下优势：第一，可以对液态的工质进行预热，使其温度接近于其沸点，保证液态的工质在进入工质气化室120之后能够迅速充分气化，提高气化速率，有助于进一步提高外燃式液体发动机100的功率。第二，由于工质供给装置130用于对工质储存装置133以及连接工质储存装置133与工质增压装置132的管路中的液态工质进行预热，可以将工质液化装置134的出口温度提高至预热温度，这样可以大大减小工质液化装置134的能耗，节约能源。

在本发明的其他的实施例中，外燃式液体发动机100的工质供给装置130可以不设置工质液化装置134，由排气管150排出的气态的工质直接排入环境中，可以用于环境增湿。需要说明的是，此时的工质为去盐水。

外燃式液体发动机100的工作原理是：液态的工质由工质储存装置133进入工质增压装置132增压后经工质喷头131喷入工质气化室120，液态的工质在工质气化室120气化，工质由于体积膨胀推动活塞115由下止点向上止点运动做功，当活塞115由上止点向下止点运动时，单向控制阀151由关闭状态转换为开启状态，气态的工质则通过排气管150被排出。由排气管150被排出的气态的工质进入工质液化装置134重新液化为液态后回到工质储存装置133。于是完成了工质的循环。

在工质循环过程中，活塞115反复由下止点运动到上止点，并由上止点运动到下止点，在活塞115的运动过程中，传动轴112与飞轮117被带动，于是实现了外燃式液体发动机100的动力输出。

实施例2

请参阅图2，本实施例提供一种外燃式液体发动机200。外燃式液体发动机200包括多个外燃式液体发动机100，多个外燃式液体发动机100并列设置，多个外燃式液体发动机100的气缸活塞式传动机构110的传动轴112依次同轴连接。在本实施例中，外燃式液体发动机100的个数为两个。

外燃式液体发动机200利用多个外燃式液体发动机100共同做功，大大提高了输出功率。

进一步地，根据实际需要，外燃式液体发动机200可以只设置一个飞轮117，也可以设置多个飞轮117。在本实施例中，外燃式液体发动机200可以只设置一个飞轮117。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，多个外燃式液体发动机100的气缸活塞式传动机构110的传动轴112还可以通过传动齿轮进行连接，但不仅限于此。

实施例3

请参阅图3，本实施例提供一种外燃式液体发动机300。外燃式液体发动机300与外燃式液体发动机100相比，不同的是：外燃式液体发动机300具有多个气缸活塞式传动机构110，多个气缸活塞式传动机构110的气缸111均与工质气化室320连通。

进一步地，多个气缸活塞式传动机构110的传动轴112依次同轴连接组成传动轴组312，传动轴组312连接有一个飞轮117。在本实施例中，气缸活塞式传动机构110为3个。

外燃式液体发动机300通过设置多个气缸活塞式传动机构110，并利用多个气缸活塞式传动机构110同时对外做功，大大提高了输出功率。

进一步地，工质气化室320与工质气化室120相比体积更大，其为工质提供的膨胀空间更大。相应的，单位时间内，外燃式液体发动机300运转过程的工质喷头131向工质气化室320喷入的液态的工质的量大于外燃式液体发动机100中工质喷头131向工质气化室120喷入的液态的工质的量，以满足多个气缸活塞式传动机构110同时对外做功的需求。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，传动轴组312可以连接多个飞轮117，多个气缸活塞式传动机构110的传动轴112之间也可以采用传动齿轮依次连接。

实施例4

请参阅图4，本实施例提供一种外燃式液体发动机400。外燃式液体发动机400与外燃式液体发动机200相比，不同的是：外燃式液体发动机400的两个外燃式液体发动机100中的一者具有加热罩410，加热罩410罩设于该外燃式液体发动机100的工质气化室120；加热罩410具有加热腔411以及贯穿加热罩410并与加热腔411连通的进气口412和出气口413；加热罩410的出气口413与该外燃式液体发动机100的排气管150的出口均与工质液化装置134的进口连通。

两个外燃式液体发动机100中的另一者的排气管150的出口则直接与加热罩410的进气口412连通，加热器140用于对两个外燃式液体发动机100中的另一者的工质气化室120进行直接加热。工质增压装置132的出口同时与两个工质喷头131的进口连通，两个工质喷头131的出口各自与两个外燃式液体发动机100中的的任意一者的工质气化室120连通。

外燃式液体发动机400的工作原理是：液态的工质通过工质喷头131进入由加热器140直接加热的工质气化室120，工质受热膨胀推动活塞115做功，气态工质从该工质气化室120排出后经排气管150直接进入加热罩410的加热腔411，由于气态的介质仍然具有很高的温度且其温度基本上等于加热器140的加热温度，故气态的介质可以对罩设有加热罩410的工质气化室120进行直接加热，使罩设有加热罩410的工质气化室120中的液态的工质也能正常气化做功。加热罩410内的已经发挥过加热作用的气态工质则通过出气口413进入工质液化装置134液化，罩设有加热罩410的工质气化室120中气态工质也通过其排气管150进入工质液化装置134液化，以此实现工质的循环。

与外燃式液体发动机200相比，外燃式液体发动机400能回收利用气态的工质中的热量，并用于加热液态的工质。一方面减少了加热器140的数量，降低了能耗，节约资源；另一方面由于气态的工质用于加热液态的工质，其温度有所下降，降低了工质液化装置134的热负荷，降低了工质液化装置134的能耗。

需要说明的是，在本发明的又一些实施例中，两个外燃式液体发动机100均可以设置多个气缸活塞式传动机构110。

在本发明的再一些实施例中，外燃式液体发动机400可以包括更多个的外燃式液体发动机100，其中一个外燃式液体发动机100的气态工质可以用于对另外多个外燃式液体发动机100的工质气化室120加热。为了保证加热效率以及液态工质的气化速率，一般情况下，已经对工质气化室120加热过的气态工质会直接进入工质液化装置134，而不再进一步用于加热其他工质气化室120。

综上所述，本发明提供的外燃式液体发动机100、外燃式液体发动机200、外燃式液体发动机300和外燃式液体发动机400具有相对现有的外燃式发动机而言更高的输出功率，输出功率得到了较大的提高，性能稳定，节约资源。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。