[实用新型]少燃高效发动机

说明书

技术领域

本实用新型涉及热能与动力领域，尤其是一种少燃高效发动机。

背景技术

与外燃机相比，内燃机的最大优势是混合式传热，所谓混合式传热是指燃料燃烧所产生的热量直接传给作功工质，而且燃料燃烧的产物也参与作功，这就大大缩小了在外燃机中所需要的进行热量传递的加热器，从而大幅度降低了系统的质量。然而内燃机工质的制造过程是由两部分构成的，一是绝热压缩过程，二是燃烧混合加热过程，由于混合加热过程的温度和压力的关系是直线关系，而作功膨胀过程是近似绝热膨胀过程，这就不难看出，作功膨胀完了时工质的温度仍然处于较高的水平，这是影响内燃机效率的最根本原因。因此，需要发明一种新型热机，能够尽量降低作功膨胀完了时的工质的温度，以提高热机的效率。

发明内容

经更加深入地对传统内燃机的工作过程的详细分析，我们可以得出如下结论：发动机气缸内的气体工质的最高能量状态(即燃烧刚刚完了时的气体工质状态，此时气体工质的温度和压力都是处于整个循环中的最高状态)是由两个过程组成的：第一个过程是活塞对气体进行绝热压缩(实际上是近似绝热压缩)将气体的温度和压力按照(其中，C₁是常数，P是气体工质压力，T是气体工质温度，K为绝热压缩指数，空气的绝热压缩指数为1.4)的关系进行增压增温(见图10中的O-A所示的曲线，图10是纵轴为压力坐标横轴为温度坐标的压力温度关系图)；第二个过程是向气体内喷入燃料由燃烧化学反应产生的热量在近乎等容加热的状态下将气体的温度和压力按照P＝C₂T(其中，C₂是常数)的关系进行增温增压(见图10中的A-E所示的直线)(燃气轮机是在非等容条件下加热的)。由这两个过程共同作用使工质处于作功即将开始状态，作功冲程是按照绝热膨胀过程(实际上是近似绝热膨胀)进行的(见图10中的E-F所示的曲线)，在这个绝热膨胀过程中，在对外输出功的同时，工质按照(其中，C₃是常数)的关系降压降温直至作功冲程完了(点F所示的状态)。换句话说，达到工质最高能量状态是通过两个不同过程实现的，而由工质最高能量状态达到作功冲程完了时的状态是由一个绝热膨胀过程实现的。由于达到能量最高状态的过程中包括了一个燃烧化学反应放热升温的过程，此过程的温度和压力关系式为P＝C₂T，不难看出工质最高能量状态下(见图10中的点E所示的状态)，温度处于“过剩”状态(所谓的“过剩”温度是指按照绝热膨胀的关系为了达到某一终点状态，在起点状态下工质的实际温度高于理论上所需要的温度，在本实用新型中所谓的某一终点状态是指接近O点的状态)，“过剩”的温度导致膨胀过程的曲线处于高温位置(在图10中向右移动，即点F的状态，也就是说，点F处于点O的右侧)，形成作功冲程完了时，温度仍然相当高的状态(如图10中E-F所示的曲线上的点F所示的状态)，由图10中点F所示的状态不难看出，T₂(即作功冲程完了时的工质温度，也就是低温热源的温度)仍然处于较高状态，也就是说仍然有相当的热量在工质内而没有变成功，这部分热量全部白白排放至环境，因此，效率会处于较低状态。图11是描述燃烧后气体工质的压力和温度关系符合绝热压缩过程温度和压力关系的示意图，点A、点B、点C三点分别表示压缩冲程完了时的状态，点AA表示由点A开始燃烧化学反应后达到的状态，点BB表示由点B开始燃烧化学反应后达到的状态，点CC表示由点C开始燃烧化学反应后达到的状态，点O是压缩冲程的起点也是膨胀作功冲程的终点。图12是描述燃烧后气体工质的压力大于由绝热压缩过程的压力和温度的关系所确定的压力值的示意图，点A、点B、点C三点分别表示压缩冲程完了时的状态；点AA表示由点A开始燃烧化学反应后达到的状态，点AAA表示由点AA膨胀作功达到的终点；点BB表示由点B开始燃烧化学反应后达到的状态，点BBB表示由点BB膨胀作功达到的终点；点CC表示由点C开始燃烧化学反应后达到的状态，点CCC表示由点CC膨胀作功达到的终点。图10是压缩冲程完了时不同增温增压过程和加大压缩冲程的力度，使被压缩气体的温度达到环保温度限值或材料温度限值且燃烧前后温度不变或者没有明显变化，而压力大幅增加的过程示意图(包括与传统内燃机循环的比较曲线)；A-CC、A-BB、A-AA表示不同升温升压过程，点D表示被压缩气体的温度达到环保温度限值或材料温度限值的压缩冲程完了时的状态，D-DD表示燃烧前后温度不变或者没有明显变化而压力大幅增加的过程，点DDD、点CCC、点BBB、点AAA和点O分别表示不同过程的膨胀作功终点。如图10、图11和图12所示，如果我们能够找到一种方法使燃烧后的工质的压力温度状态点处于绝热压缩过程的压力温度曲线O-H上或处于绝热压缩过程的压力温度曲线O-H左方，则膨胀作功后的工质温度将可达到等于O点的温度、低于O点的温度或大幅度低于O点的温度的状态，这样将使发动机的效率大幅度提高，而且可以制造出输出的功接近燃料热值、等于燃料热值或大于燃料热值的发动机。如果燃烧后的工质的压力温度状态点处于绝热压缩过程的压力温度曲线O-H右侧，虽然不能制造出输出的功等于燃料热值或大于燃料热值的发动机，但通过使燃烧后的工质的压力温度状态点尽可能靠近O-H曲线，以达到效率的提高。而要想使燃烧后的工质的压力温度状态点处于曲线O-H上或处于曲线O-H左方，可行的办法是使燃烧化学反应放出的热量的全部或部分被所述膨胀剂吸收增加即将开始作功的气体工质的摩尔数，形成燃烧后的工质压力不低于由公式(其中，P是燃烧后的工质压力，P₀是绝热压缩后未燃烧未导入膨胀剂的工质压力，P_e是燃烧后膨胀剂所形成的分压，T是燃烧后的工质温度，T₀是绝热压缩后未燃烧未导入膨胀剂的工质温度，K为绝热压缩指数，空气的绝热压缩指数为1.4)所确定的压力值，即P值，这样就能保证燃烧后的工质的压力温度状态点处于曲线O-H上或处于曲线O-H左方，这样才能实现更高的效率和更好的环保性。本实用新型所公开的少燃高效发动机中，公开了一种在没有膨胀剂的条件下使燃烧后的工质的压力温度状态点在图14所示O-H曲线(与图10所示O-H曲线等价)右侧但尽可能靠近O-H曲线的方案，以达到效率的提高。