[實用新型]外熱式發動機

有效

• 申請號: 201320880679.9
• 申請日: 2013-12-18
• 公開（公告）號: CN203717159U
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 楊浩仁
• 申請（專利權）人: 楊浩仁
• 主分類號: F02G1/043
• 分類號: F02G1/043
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型涉及發動機，是一種外熱式發動機。?

背景技術

發動機一般指的是熱機，是一種將燃料，或者其他能源轉換為工質的熱能并將熱能進一步轉化為機械能輸出的一種裝置。?

隨著經濟社會發展，人類對動力以及電力需求不斷增長，但是化石能源的枯竭以及燃燒利用化石能源引起的環境污染給社會帶來了巨大的負面影響。尋求一種新的高效環保發動機以及可以利用多種能源形式比如氣體，液體，固體形式能源、可再生能源(太陽能、生物質、地熱能等)的多燃料多熱源發動機是目前解決能源動力問題的一個重要手段。?

內燃機是一種傳統的，利用非常廣泛的發動機。顧名思義，內燃機是一種燃料在氣缸內部燃燒，最常見的是汽油機和柴油機。由于燃料燃燒是在短時間、間歇式等限制條件下進行的，造成燃料燃燒不充分，尾氣污染嚴重，變工況效率差，發動機磨損，維護成本高，對燃料質量要求高，爆燃以及噪音振動等許多缺點。內燃機目前是一種相對很成熟的技術，但其發展由于受到上述缺點影響而受到一定限制。?

外熱機也是一種古老的發動機，由外部熱源為發動機內部工質提供熱量，內部工質吸收熱量后做功輸出，若外部熱源有燃燒提供，也稱為外燃機。常見的外熱機有斯特林發動機。這種發動機是倫敦的牧師Robert?Stirling于1816年發明的，被命名為“斯特林發動機”(Stirling?engine)。斯特林發動機是獨特的熱機，因為他們理論上的效率幾乎等于理論最大效率(卡諾循環效率，圖5是卡諾循環的溫熵圖，理論上發動機能達到的效率上限，有等熵壓縮過程1-2，等溫吸熱過程2-3，等熵膨脹過程3-4和等溫放熱過程4-1組成)。圖3是現有的斯特林機結構原理圖。圖4是理想斯特林機循環的溫熵圖，由等溫放熱過程1-2，等容回熱放熱過程2-3，等溫吸熱過程3-4，以及等容回熱吸熱過程組成。斯特林機是一種外熱發動機，燃料在工質工作腔外的燃燒室內連續地燃燒，通過換熱器將熱量傳給發動機內部的工質。斯特林循環是一種閉式循環，可以選擇工質、氫氣以及氦氣等作為內部工質。?

外熱機相對于內燃機一個突出優點在于其可以利用多種燃料以及多種熱源，比如氣體、液體、固體燃料，熱值較低的燃料比如沼氣、生物質，成分復雜燃料如煤炭。由于外熱機可以利用連續、長時間的燃燒能夠將燃料充分燃燒，提高燃燒效率，大大減少污染物排放。還利用太陽能、地熱能、核能以及一些工業廢熱等熱源，還可以用在一些特殊裝置中，比如潛艇以及太空動力設備等。?

除了將發動機分為內燃機和外熱機外，還可以按照發動機內部運動方式分為往復式發動機以及旋轉式發動機。上面提到的汽油機、柴油機以及斯特林機都是屬于往復式發動機，其主要特征為活塞、氣缸結構。旋轉式發動機中，常用的燃氣輪機和蒸汽輪機。其中，圖6是現有燃氣輪機循環的溫熵圖，有等熵壓縮過程1-2，等壓吸熱過程2-3，等熵膨脹過程3-4以及等壓放熱過程4-1組成，分別對應工質經過壓氣機壓縮，進入燃燒室燃燒，再進入渦輪機以及排氣這四個過程。高溫燃氣膨脹時對渦輪機做功，對外輸出機械功。蒸汽輪機需要較大體積的渦輪機、凝汽器、鍋爐等設備，體積膨大，一般用于大功率的火力發電廠。因此，燃氣輪機的應用范圍更廣一些。?

如上所述，燃氣輪機的燃燒是在發動機內部進行，燃燒產物進入渦輪機，因此從廣義上也屬于內燃式發動機，但由于其旋轉運動方式，使得氣流的流動連續，進而使得燃燒過程較完全。但由于其仍然屬于內燃的方式，對燃料的要求同樣較高。因此很早就提出了外熱式燃氣輪機的概念。20世紀五十年代，Donaid?L.等就對燃煤的外熱式燃氣輪機進行了研究。外熱式燃氣輪機的熱力循環過程：工質經過壓縮機壓縮，進入高溫換熱熱器與燃料在燃燒室排放的高溫燃氣進行熱交換，吸收熱量后成為高溫高壓工質，高溫高壓工質進入渦輪機進行膨脹做功，膨脹后壓力基本為大氣壓，從渦輪機排出的工質進入燃燒室，與燃料混合燃燒，形成高溫燃氣，并進入高溫換熱器，與從壓縮機來的壓縮工質進行換熱，將熱量傳輸給壓縮工質，自身降低溫度，最后廢氣排出。其循環特征為工質經過壓縮，回熱，膨脹之后才經過燃燒，是一種利用尾部排氣再燃燒的熱力循環方式。圖7是現有外熱式燃氣輪機循環的溫熵圖，有等熵壓縮過程1-2，等壓吸熱過程2-3，等熵膨脹過程3-4，以及等壓加熱過程4-5以及等壓放熱過程5-1組成。?

由于燃氣輪機的循環特征決定了要有高的熱效率，必須將工質加熱到很高溫度，通常達到一千攝氏度以上，因此對發動機材料的要求很高，工藝較復雜。此外當燃氣輪機設計功率變小以后(比如作為車用、分布式能源等用途時)，由于一些流動損失加大等原因，使得其效率較低。?

發明內容