[发明专利]高效集成式热机

说明书

发明领域

本发明涉及带组合式热功转换过程的高效率热机，尤其是集成了多种做功冲程和多种工质的热机。

发明背景

内燃机发明于1876年，其典型四冲程往复式活塞结构迄今为止仍然是主要的发动机结构。现代汽油内燃机的燃油转换效率为25％至30％。这意味着仅仅有25％至30％的燃油能量被转换为机械能，其余部分则以摩擦和热量的形式而被损失掉了。由于世界上有成千上万的内燃机在运行，内燃机燃油转换效率的改进将对能源消耗、燃油经济、燃油储备、对进口石油的依赖和环境保护带来巨大影响。

内燃机的废气排放造成空气污染。成千上万车辆所排放的废气与阳光和水蒸气相互作用产生温室效应。尽管各级政府都在制定反污染法案，各汽车生产厂家也在设计新型的低排放车辆，石油公司也在改变燃料的配方以使得燃烧更为清洁，但是车辆排废所造成的污染依旧是重大的环境问题。

内燃机废气的主要成分之一是二氧化碳。这是引起温室效应(全球变暖)的原因。不断增加的二氧化碳含量将吸收太阳的热量从而使得大气温度上升，引起气候模式的恶化，甚至导致极地冰冠融化，海水平面上升。

降低二氧化碳排放的唯一方法是采用效率更高的发动机，以减少石油的燃烧。即便是当我们进入生物燃料和/或替代燃料的时代，甚至最终进入氢燃料时代，提高燃料转换效率，降低燃料消耗，仍然是一个战略性的重要课题。因为在这个世界上既没有不要钱的燃料，也没有免费的能源。

我们期待着一种具有更高燃油转换效率的新型热机，来满足当今对减少石油消耗、减少温室气体排放和降低燃烧废气排放的急切需求。

尽管在过去100年间人类坚持不懈的努力，内燃机的燃油转换效率从理论到实践始终都没有重大改进。过去一直被学术界普遍看好的内燃机均质压燃(HCCI)的理念经过多年研究，进展盛少，几近无效。近来又有权威学者推出与此背道而驰的非均质燃烧的理念，这实际上就是对多年来均质压燃理念的全盘否定。内燃机在基础理论上的南辕北撤，一波三折，导致了它在实践上的无所作为，百年不变。

然而，改善热机的燃料转换效率并不是不可能。在19世纪，效率为6％至7％的蒸汽机已经算是高效。直到20世纪中叶，时值蒸汽机即将被内燃机取代，法国机械工程师安德烈·钱皮隆(Andre Chapelon)从热力学的角度对蒸汽机进行改造，通过复合式气缸和超级再热的方法把蒸汽机的效率提高到了13％。这是个使热机效率翻倍的历史事实。20世纪末的现代综合热电厂，利用组合式热功转换过程可以获得高达60％的综合热效率。在这种组合式热功转换过程中，不同的工质用来驱动不同的做功过程，从而获得把每个做功过程组合起来的综合热效率。这又是一个能够把现今传统内燃机30％效率再翻一番的有利证据。

所有上述线索都将有助于发动机燃油转换效率的改善。基于这样一种创造性的思维，我们可以预见到由此带来的机遇和挑战。21世纪的发动机革命正在向我们招唤。

早在1954年，瑞士发明家汉斯·罗巴克(Hans Rohrbach)就在其美国第2,671,311号专利中公开了具有燃烧室流体注入的六冲程发动机。该六冲程发动机基于传统的四冲程发动机，在排气冲程完成之后对燃烧室进行流体注入，从而引发蒸汽膨胀与蒸汽排气两个附加冲程。这种额外的蒸汽膨胀做功冲程势必带来热效率的增益。该发明甚至还带有对废蒸汽排放进行回收的机外冷凝循环装置。其光辉的多工质组合式热功转换过程设计思想非常值得借鉴。可惜该发明至今都未能得到实施。

直到2006年，美国发明家布鲁斯·克罗尔(Bruce Crower)首次在物理上实现了具有燃烧室流体注入的六冲程发动机的样机，并将该技术刷新为美国专利申请第2007/0022977号。据称这种采用燃烧室流体注入的六冲程结构能够获得40％的效率增益。

美国发明家卡米罗·史古德利(Carme lo Scuderi)的中国发明专利第ZL02814537.2号(美国同等相关专利第6,543,225号)披露了一种具有分裂冲程的四冲程发动机。该发明利用双联式气缸结构将传统的四冲程一分为二，旨在改善空气—燃油混合气燃烧膨胀的相位角，以使之与机械力矩相位角相吻合。该发明虽然具有双联式气缸结构，但并不具备复合式二次燃烧膨胀的机理。该发明在形式上如同一种带有超级增压泵的二冲程发动机。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种带组合式热功转换过程、尤其是集成了多种做功冲程和多种工质的高效率热机。

本发明所述的高效集成式热机具有：