非压缩式发动机
阅读：927发布：2021-02-04
专利汇可以提供非压缩式发动机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种非压缩式 发动机 ，具有两个或三个可变容积机构，进气排出器（1）和燃烧膨胀器（2），或进气排出器（1）和燃烧膨胀器（2）以及大气冷却器（3）。一定工作容积的气体被吸入至进气排出器，然后以基本上恒定的量通过再生器（5）排出至燃烧膨胀器（2）之内。处于燃烧膨胀器（2）内部的气体将在 燃料 的燃烧作用下进一步得到加热，随后膨胀以做功。所述气体随后以基本上恒定的量通过再生器（5）排入至大气冷却器（3）之内，或者在恒定压 力 下从再生器排出。所述气体在大气冷却器（3）内收缩并做 大气压 力功。一旦所述气体与大气压力取得平衡，就将其从大气冷却器3）排出。，下面是非压缩式发动机专利的具体信息内容。
1.一种非压缩式发动机，所述非压缩式发动机用于在循环内工作并且设置成基于循环将离散容积的气体吸入至发动机之内，然后将所述离散容积的气体加热以提高其压力，而不用首先在压缩过程中将气体的容积缩小，
所述非压缩式发动机包括：
能量再生装置；
第一可变容积装置，所述第一可变容积装置用于在循环内工作且包括燃烧膨胀器，所述能量再生装置将一定比例的离开所述第一可变容积装置的能量返回至所述第一可变容积装置之内；
用于将一定工作体积的气体吸入到所述发动机的吸入装置，所述吸入装置包括第二可变容积装置，所述第二可变容积装置包括进气排出器，所述进气排出器通过进气阀与大气连通；以及
用于控制工作气体进入或离开能量再生装置的流动的阀门系统；
其中，所述阀门系统用于控制所述燃烧膨胀器、所述进气排出器与所述能量再生装置之间的联通，并且，所述阀门系统经由所述能量再生装置将所述进气排出器与所述燃烧膨胀器相联通。
2.如权利要求1所述的非压缩式发动机，所述发动机所采用的能量再生装置用于在基本恒定的体积下向所述工作体积的气体供应热量。
3.如权利要求1或2所述的非压缩式发动机，其中，所述能量再生装置用于从处于第一可变容积装置循环内的工作气体获取能量并将此能量作为热量返回至第一可变容积装置的后续循环内。
4.如权利要求1所述的非压缩式发动机，所述发动机包括燃料入口，所述燃料入口设置成用于将燃料导入至所述燃烧膨胀器以在其内燃烧。
5.如权利要求1所述的非压缩式发动机，其中，所述燃烧膨胀器包括活塞和汽缸。
6.如权利要求1所述的非压缩式发动机，其中，所述燃烧膨胀器具有位于其活动部件之间的迷宫式密封或空气轴承装置。
7.如权利要求1所述的非压缩式发动机，其中，所述燃烧膨胀器包括燃烧室，所述燃烧室通过喷嘴连接至涡轮机叶轮。
8.如权利要求1所述的非压缩式发动机，其中，所述燃烧膨胀器采用耐热材料制造，所述耐热材料选自于包括耐高温合金和工程陶瓷的材料组。
9.如权利要求8所述的非压缩式发动机，其中，所述耐高温合金为不锈钢。
10.如权利要求1所述的非压缩式发动机，其中，所述阀门系统包括可动构件并且所述可动构件上设置有所述能量再生装置。
11.如权利要求10所述的非压缩式发动机，其中，所述可动构件内包括可旋转盘，所述可旋转盘设置用于提供能量再生装置在第一位置与第二位置之间的旋转运动，在第一位置处所述能量再生装置提供能量给进入燃烧膨胀器的工作气体，在第二位置处所述能量再生装置从离开燃烧膨胀器的工作气体中获取热量。
12.如权利要求1所述的非压缩式发动机，其中，进气排出器包括活塞和汽缸。
13.如权利要求1所述的非压缩式发动机，其中，所述非压缩式发动机还包括第三可变容积装置，所述第三可变容积装置为大气冷却器，燃烧膨胀器内的气体膨胀做功后经由能量再生装置排入至大气冷却器。
14.如权利要求13所述的非压缩式发动机，其中，所述大气冷却器包括活塞和汽缸。
15.如权利要求13所述的非压缩式发动机，其中，所述大气冷却器包括用于将液体喷洒到气体中以带走热量的喷洒系统。
16.如权利要求13至15中任一项所述的非压缩式发动机，其中，所述大气冷却器包括与大气进行联通的排气阀。
17.如权利要求16所述的非压缩式发动机，所述发动机包括曲轴，所述曲轴配置用于驱动所述进气排出器、燃烧膨胀器和大气冷却器。
18.如权利要求17所述的非压缩式发动机，其中，所述燃烧膨胀器和所述大气冷却器相互之间按180度的异相被驱动。
19.如权利要求18所述的非压缩式发动机，其中，所述进气排出器与所述燃烧膨胀器和大气冷却器相比冲程较小。
20.如权利要求19所述的非压缩式发动机，所述发动机包括面凸轮和凸轮随动件，所述面凸轮和凸轮随动件能够由所述曲轴进行驱动以控制所述进气排出器。
21.如权利要求20所述的非压缩式发动机，所述发动机包括在排出模式下能够由曲轴驱动而在闭合时消除死容积的阀门。
22.如基于权利要求13所述的非压缩式发动机，其中，所述阀门系统构造成用于控制所述燃烧膨胀器、进气排出器、能量再生装置和大气冷却器之间的联通。
23.如权利要求1所述的非压缩式发动机，其中，所述能量再生装置包括再生器部件，所述再生器部件用于累积、贮存和释放能量，所述再生器部件内部设有允许工作气体流经的流动路径。
非压缩式发动机
技术领域
背景技术
[0003] 无法通过接入电网得到满足的机械功率要求将大部分由内燃机来满足。对交通功率方面的要求包括了众所周知的汽车、重载运输车辆、铁路、航运和航空发动机，而且也包括了许多其它应用，如各种规格的发电装置，以及应用于农业、林业、建筑业和土木工程，以及水、石油和天然气的泵送中的动力工具。发动机的范围包括，从仅几克重开发用于在一些应用中取代电池的微型机械规格等级的发动机，直至重达2300公吨的航海推进装置。
[0004] 石油这一化石燃料的世界供应量被认为已经接近顶峰，之后有可能出现针对日渐缩减的石油供应量的剧烈竞争。目前已经推出或正在开发一系列的生物燃料，但是其中一些燃料将与农作物展开对于农业土地占用面积的竞争。此外，目前已经广泛认可，进入大气层的碳排放物对于环境的影响是气候变迁的原因之一。因此，在这些关注要素组合的压力之下，对于提升内燃机效率存在着很大的兴趣。
[0005] 众所周知，在发动机领域，目前的技术仅能将燃料内可用能量的三分之一左右转换成可用功。对于其余的三分之二，在活塞发动机当中，约三分之一为工作循环损失，这些损失以废气热量的形式离开了发动机。另外三分之一为冷却损失，也就是从工作气体传导进入发动机材料之内的热量，这部分热量随后在工作循环中损失，而且这部分热量必须通过散热翅片或注入液体的散热器进行耗散，以保证发动机材料以及发动机内部的工作过程正常进行。因此，这一领域许多研究者都以提升发动机效率为目标，而且循环损失和冷却损失领域也都成为了对现有技术做出改进的目标。本发明在这两个领域都做出了显著改进。
[0006] 1824年，Sadi Carnot表明了任何热力发动机都不能达到100％的效率。所有热力发动机都在较高的绝对温度Th下接受了热量，并在较低的绝对温度Tc下排出热量。著名的卡诺(Carnot)公式就是：
[0007]
[0008] 表示了热力发动机所能达到的最大效率η受到了上述温度比率的限制。但是，这个公式也表明，在约2800K绝热燃烧温度与约300K环境温度之间工作的发动机有可能达到接近90％的效率极限。目前的发动机尚不能充分利用这个温度范围。
[0009] 本发明充分利用了这个温度范围，因此卡诺效率限值将高得多。
[0010] 内燃机目前分成正排量机(positive displacement machines)和运动流机(kinetic flow machines)。正排量机包括活塞发动机和汪克尔(Wankel)发动机，而运动流机包括燃气涡轮机。正排量机的特性在于其会吸入和处理离散工作容积的气体，这部分气体随后经历一个涉及了容积变化和热量加入和排出的循环过程。正排量机分成以两冲程或四冲程循环方式工作的火花点燃和压缩点燃发动机。所有这些发动机都采用了相同的压缩工作原理。这个原理首先由Alphonse Beau de Rochas在一本出版于1862年的小册子上提出。这本小册子精确地描述了四冲程发动机的工作原理。在1876年，Nikolaus Otto博士再次发现了这个原理并制造了一台成功运行的发动机。从那时起，压缩工作原理一直是一致的。以下效率公式主导着这种Otto循环以及适用于燃气涡轮机的Joule-Brayton循环，是这个领域非常著名的公式：
[0011]
[0012] 其中η为效率，rv为容积比，通常也称为压缩比，γ为工作气体比热率，此值在环境温度下为1.4，在2500K温度时降至1.29。
[0013] 适用于燃气涡轮机的Joule-Brayton循环也有着类似的效率公式。
[0014]
[0015] 在本公式当中，rp为压力比。
[0016] 这些公式包含着很明确的含义，即效率可通过高压缩比进行提升，并且进一步地，不存在压缩，即r＝1的发动机的效率为零。对内燃机发展早期历史的研究揭示了情况完全不是如此。在压缩式发动机发明之前，非压缩式发动机已经进行了商业化制造和销售。Etienne Lenoir于1860年获得了一项非压缩式发动机专利并销售了大约600台此类发动机。Nikolaus Otto与Eugene Langen共同组建了一家公司，这家公司自1862年销售了一种经过改进的非压缩式发动机，这种发动机具有更好的可靠性和更高的效率。对这些发动机工作基础的热力学原理进行分析后揭示，上述公式是一种人为制造压缩和膨胀比相等的发动机循环。进一步，“压缩比”这个术语误导性地强调了压缩，而在现实情况下，反而是膨胀导致了热量转化成机械功率。
[0017] 在1710年，Thomas Newcomen和John Cowley发明了常压蒸汽发动机。处于低压力下的蒸汽用于填充一个汽缸。随后在用水冷却之下导致蒸汽凝结现象被用于通过一种常压冲程产生机械功率，凝结期间所形成的真空使得大气压力迫使活塞沿汽缸向下运动。通过这种方法，可抽取出常压功。在热力学术语当中，这种常态工作原理是可靠的，因为这种工作原理使得发动机能够在低温下排热。但由于热过程和冷过程在同一外壳内发生，导致过多的热量损失到了发动机的材料之中，因此这种发动机的效率很低。这个问题随后由James Watt解决，他将一个高温汽缸通过一条设有阀门的管道与一个单独的冷腔室连接了起来。Watt还开始利用蒸汽的正压力，使得发动机即使在低压下也得在上行冲程内产生功率。
[0018] 在1823年，Samuel Brown开发了一种以常压工作原理为基础的内燃机。他采用了天然气空气混合物在汽缸内的快速燃烧将绝大多数的气体排出，然后通过喷水冷却剩余的气体，形成一种部分真空，这种真空使得大气压力将推动活塞运动。在这一时期，有可能发明者们对于使用正压力来做功存在着一定的犹豫，因为当时可用材料的拉伸强度既低又不可靠。这种发动机曾用于推进车辆，但是由于燃烧所产生的正压力被排空至大气，所以其效率较低。
[0019] Lenoir和Otto非压缩式发动机采用在活塞部分行程内移动活塞而吸入空气和灯用煤气混合物并随后将此混合物点燃的工作原理。温度的上升导致压力增大，增大的压力将推动活塞完成其剩余的行程。当时还没有使用因为蒸汽机应用而出名的连杆和曲轴机构。在Otto-Langen发动机中，活塞受燃烧压力驱动沿一个立式汽缸上行，直至被活塞重量与活塞后面所形成部分真空的组合作用而导致停止运行为止，这个部分真空是由于活塞的运动超过了与大气压力相均衡的位置而形成的。这种部分真空随后由于喷水对气体进行冷却而增大。大气压力将迫使活塞沿汽缸向下运动。当活塞下降时，活塞会带通过一根齿条驱动一个飞轮，所述齿条采用单向离合器与在飞轮轴上运转的一个小齿轮相啮合。因此这种发动机同时利用了压力工作原理和大气压工作原理。这种发动机能够在较宽的温度范围内工作，由于热过程和冷过程在同一汽缸内发生而冷却损失非常高并且因此而与本发明不同。
[0020] 在Otto随后于1876年发明了采用了了曲轴和连杆机构的压缩式发动机后，非压缩式发动机的发展几乎完全被抛弃了。Otto之所以大力推广压缩工作原理的理由是他相信自己的专利将赋予他在这种发动机生产上的垄断地位。与Gottlieb Daimler和Wilhelm Maybach合作，他具备了将自己的创新投入生产的工业能力。但是，他的专利于1886年失效，此时Beau de Rochas所编写的小册子为大家所周知。这样，对于其它制造商来说，推出自己产品的路径就很清楚了。
[0021] 自那之后，压缩式发动机在采用电火花点燃或压缩点燃的四冲程或两冲程发动机领域占据了绝对的主导地位。在那些功率与重量比比燃料经济性更重要的应用领域当中，随着Wankel发动机的成功进入，活塞和 汽缸仍然是占据主导地位的可变容积机构。这些发动机都具有以热动力工作循环为基础的非常类似的压缩过程，并且具备循环中的所有过程都发生在同一个外壳内的特色，因此也与本发明不同。
[0022] 一个能够减少循环损失的众所周知的方法就是热量再生(回收、回授)。排出废气内的热量可以采集并返回至循环的某一部分，这些热量在这一部分的作用可以取代由燃料实现的加热，从而减少了所需燃料量。热量再生首先是在一项由Robert Stirling博士于1816年获得专利的热空气发动机当中验证的。再生器就是一个气体对固体的热交换器，瞬态的高温气体流将在这个热交换器内流过并加热一种固体基体。而沿反方向流动的瞬态冷态气体流将把这部分热量回收。这种技术在那些加热气体和受加热气体为同一物质并在同一工况下和相同温度限值内之间分别进行冷却和加热的循环当中可发挥出最大效益。此技术一直在燃气涡轮机当中获得着一定程度的成功。由于这些发动机内连续流动的本质，热量可以由气体对气体热交换器或旋转式基体热交换器来进行传导。这种技术的好处受制于，即使在理想循环当中，要想将废气热量全部抽取出来都是不可能，因为全部抽取就必须将涡轮机废气冷却至环境温度。这种降温的不可能是因为热量必须传导至压缩机出口的空气处，而这部分空气已经得到了绝热压缩过程加上等熵损失的加热，因此比环境温度高出数百度。因此只有一定比例的热量可以被回收。如果在压缩过程当中采用了内冷方式，则这种状况还可以得到改进。
[0023] 在这一领域的一些工作者一直建议将再生原理应用于正排量内燃机上。这些发动机可以归类为：内燃斯特林发动机；添加缸内再生的Otto发动机；以及进气和压缩以及燃烧和排气在不同汽缸发生且再生在汽缸之间发生的分置循环发动机。
[0024] 在斯特林发动机当中，高温和低温容积通过再生器永久性的进行热量交换，从而与本发明不同。空气将输入至高温空间并从再生器获得热量。随后空气发生膨胀，在做功的同时热量传导给那些保持着自身温度的空气。在内燃斯特林发动机内，这部分热量由燃料在高温空间内的燃烧来供给。因此这个循环当中的高温温度就被限制为再生器和高温汽缸材料的温度极限值。此温度将比燃料的绝热燃烧温度低得多，因此尽管 斯特林循环在理论上能够接近其卡诺极限，但其极限要低于能够在绝热燃烧温度下工作的循环。
[0025] 在Otto循环当中，所有过程都发生在同一个汽缸内。这种方式具有简洁性的好处，并让活塞和汽缸可以保持在一个相对较低的温度下，与此同时，这种循环的最高温度即为燃料的绝热燃烧温度。其缺点是循环效率是燃烧温度与废气温度之比的一个函数。废气温度比环境温度远高得多，而且循环效率也因此低于采用相同高温的发动机的卡诺效率。而且材料也具有密封度，材料本身的温度比过程本身低得多，从而导致冷却损失很高。曾经有人试图将活动式再生器放入至汽缸之内。这种方式导致燃烧过程变得复杂起来，而且由于压缩所导致的温度上升，只可能有一定比例的热量可以再生。冷却损失的问题并没有得到解决。
[0026] 分置循环发动机允许冷过程与热过程在不同的汽缸内进行，并且再生器可以设在这两个汽缸之间的通路上。压缩工作原理的应用意味着燃烧压力较高，这里采用了提升阀来控制流动。这种阀门存在着造成明显的死容积的影响，这是因为阀门背后要求设置弯曲的通道。压缩温度的上升限制了再生比例。这些循环在减少冷却损失方面有所进步，但是，如果采用传统的活塞油润滑方式，则会将壁温限制在300摄氏度以下。建设采用干式润滑方式。这种方法来自于特种研究用发动机，其特色是在燃烧区内设置了一个光学观察窗口。而且摩擦损失非常高，这种损失在这种特殊应用中是可以接受的，但在现实发动机当中不能接受。
[0027] 到目前为止，以上提出的改进方式当中没有一种即使在理想循环中能够回收全部的废气热量。而且，这些经改进的发动机当中没有一种提供了冷却损失的显著节省效果。出于这个原因，他们通常宣称与无再生的发动机相比效率提升了10％至15％。本发明的目标是达成显著高得多的30％至40％的效率提升，将总效率提升不能超过70％至80％。这种提升实质上通过将全部废气热量回收并在同时显著减少冷却损失来达成。
[0028] 本发明可以采用非接触式密封技术，包括迷宫式密封件(labyrinth seals)或线性空气轴承。在工程设计当中，在许多情况下都存在当受到压力的液体必须被限制在一个外壳内，与此同时还要求向这个外壳内引入旋转运动或直线运动的机械传动。在绝大多数情况下，可以采用一种自 适应密封装置，这种装置可以安装在一个表面，并在相对运动时顶住一个光滑表面，以限制或阻止液体流动，同时会产生一定程度的摩擦损失。但是，在一些情况下，即当由于高速运行、高温或由于在减少摩擦损失时可以容忍一定程度的压力损失作为交换时，则不可能采用这种实心密封件。在这些情况下，则使用非接触式密封件。
[0029] 对于迷宫式密封件来说，处于相对运动的表面之间由一个小的间隙隔离分开。气体通过这个间隙的流动通过在这些表面上设置一些设计用于产生对流动最大阻力的表面形状而予以最小化。迷宫式活塞属于牢固安装在活塞杆上的活塞。这个活塞杆由一个线性轴承限位并用于引导活塞沿汽缸上下运动，且同时让活塞不接触汽缸壁。这种活塞在其侧边采用了一种脊形形状，以形成对于流过间隙的液体流动的阻力。这种技术已经被瑞士的Burckhardt Compression AG公司成功地应用于一些泵机产品，这些泵机运行在一些不可能采用润滑剂的低温环境下。在产品中采用了低膨胀系数材料以尽量减少活塞直径因温度引发的变化，从而允许保持最小的间隙。
[0030] 对于所使用的线性空气轴承来说，将用管道引入压缩空气流，这些空气流将在围绕活塞侧边的一系列点处涌出。活塞再次在活塞杆的动作下运动，而活塞杆不会给活塞施加轴向作用力。活塞在不发生接触的情况下被导入汽缸膛，这是因为当活塞较靠近汽缸膛的某一边时，空气所提供的支撑作用力将变大，从而趋向于让活塞回归中心位置[0031] 现有技术
[0032] 在1710年，Thomas Newcomen和John Cowley演示了常压蒸汽发动机。
[0033] 在1823年，Samuel Brown的专利号4874“实现真空并且因此产生的动力”。本发明公开了内燃蒸汽发动机。
[0034] 在1827年，Robert和James Stirling的专利号5456公开了包含热量再生原理的空气发动机。
[0035] 在1860年，Lenoir的专利号335“获得的动力和在其中使用的机器和设备的改良”公开了一种非压缩式内燃机。
[0036] 在1863年，Nikolaus Otto的专利号2098公开了一种发动机，所述发动机从非压缩燃烧和冷却大气冲程的组合中获得动力。
[0037] 在1866年，Eugene Langen和Nikolaous Otto的专利号434公开了一种Otto的1863年的改进的发动机的种类。
[0038] Hirsch的美国专利号155,087 1874公开了一种内燃斯特林循环发动机。令人感兴趣的特点包括了一种耐火材料衬垫型的热汽缸以及燃料在热汽缸内的自发燃烧。在冷汽缸内采用了喷水冷却方式。在这种发动机内，大部分的工作介质通过再生器在热汽缸与冷汽缸之间来回循环往返。少量的新鲜空气和燃料将泵入到热汽缸内；所导致的燃烧保持着热汽缸的温度。配备耐火材料内衬的方法将会导致发动机被限制在低速运行下。这个等温燃烧过程将在循环内提供一个远低于绝热燃烧温度的最高温度Th。因此，尽管这个循环有潜力接近其卡诺效率，但此卡诺效率将低于本发明，而且此运行方式基于完全不同的循环。
[0039] 在1881年，C.W.Siemens的专利号2504公开了一种具有构建在汽缸顶部的再生器的内燃机。
[0040] 待批准。美国专利7201156正确地建议再生有可能让发动机在低压缩比之下达到高效，但却没有提出非压缩式发动机的建议。该专利所公开的发动机采用了传统的四冲程循环，只是在压缩冲程之前加入了废气热量。这样可以实现良好的热量回收，因为在热量传导之前并没有压缩加热现象。但不幸的是，在循环当中的这一点加入热量并没有好处，因为没有任何方法能够将这部分热量转化成功率。这样做将肯定导致冷却和燃烧过程的复杂化。
[0041] Koenig美国1,111,84。这种发动机是一种分置循环发动机，其中的压缩汽缸小于膨胀汽缸。通过配备内部表面很高的压缩汽缸以减少多种指标，对再生之前尽量减少压缩加热的需要做出了确认。此专利展现了对热动力学的良好理解，但是按照今天标准来看，说明图中所示的阀门面积过于微小。冷却功率汽缸的问题并没有得到解决。
[0042] Coney等人。US2003049139所公开的发动机发展了一种Koenig设计思路，采用了非常高的压缩度，并采用了喷射冷却法以产生几乎等温的压缩过程。这有利于达成良好的废气热量回收水平，但所采用的极高压 力将对冷却损失减少措施产生影响。所公开的发动机的应用目标是大型发电应用，因此采用了多个热交换器，设计非常复杂。因此不太可能在小型应用当中具备经济性。
[0043] Patton的美国专利7004115和7219630也认同了在再生式发动机中的低压缩的益处，但是建议一种非压缩式发动机。他公开了具有再生但是没有冷却损失减小措施的发动机。
[0044] Graves的US 3729927 1972专利公开一种非压缩式发动机，这种发动机与Lenoir发动机不同之处在于，燃烧发生在一个单独的腔室内，膨胀产物将通过一个瓣阀进入汽缸。这样可让整个活塞冲程用于膨胀。单独的燃烧腔室将存在很高的冷却损失而且瓣阀的工作温度将非常高。其中未使用再生并且未宣称具有高效率。
[0045] Karl-Olof,Magnus的WO/1983/000187公开了一种非压缩式发动机。这种发动机实质上是一种配备了连杆和曲轴机构的Lenoir发动机。其中未使用再生并且未宣称具有高效率。
[0046] 1979年Lowther的US 4,300,486。此专利建议使用一种主要供汽车使用的非压缩型发动机，其燃烧过程采用钢瓶供应的压缩空气。因此，这个能量生产过程仍然采用了一种压缩循环，但这个循环被分开了，所以用于压缩的能量并不来源于车辆上所携带的燃料。其中没有建议使用再生过程。因此此专利与本发明不同。
[0047] 1973年Nissan Motor Company的JP 1439446。一种活塞膨胀器由一种燃料与一种诸如过氧化氢或液态氧而不使用大气层空气之间的爆炸性反应来驱动。因此无需进行压缩。此专利没有建议使用再生。因此此专利与本发明不同。
[0048] 2006年Stebbings的US 7,111,449 B1。此专利提议了一种喷气发动机，此发动机采用一种气体循环系统取代了传统的汽轮机和旋转式压缩机。但是，根据权利要求1清楚可知，此系统的目标是提供压缩。而且此专利还要求保护来自循环回收气体的热量将提供有效的热量回收效果。但是，正如上面的待批准专利所述，这部分热量在压缩阶段之前加至系统上，因此其效果将是产生相反结果的。因此也属于一种压缩式发动机。
[0049] 以上各项现有技术之中没有一项采用了本发明所公开的非压缩式发动机与再生方式(regenerative means)相结合的方法。
发明内容
[0050] 本发明的目标是至少在一定程度上减轻所述现有技术的问题。
[0051] 根据本发明的第一方面，提供了一种非压缩式发动机，所述非压缩式发动机设置成在循环内工作(循环工作)并且包含能量再生装置。
[0052] 这种非压缩式发动机可以具有一些可变容积装置，这些可变容积装置设置成循环运行，并且所述能量再生装置可以设置成将一定比例离开所述可变容积的能量回收或返回至所述可变容积装置。所述非压缩式发动机可以包括一些用于将一定工作容积的气体吸入到所述发动机的装置。
[0053] 所述能量再生装置可以设置成以基本恒定的量供应热量给工作容积气体。这种能量再生装置可以设置成在所述可变容积装置的所述循环中从工作气体获取能量并将此能量作为热量返回至可变容积装置的后续循环内。
[0054] 所述可变容积装置可以包括燃烧膨胀器。所述非压缩式发动机可以包含燃料入口，所述燃料入口设置成将燃料导入至燃烧膨胀器以在其内进行燃烧。燃烧膨胀器包括活塞和汽缸。燃烧膨胀器可以具有位于其活动部件之间的迷宫式密封或空气轴承装置。燃烧膨胀器可以包含经由喷嘴连接到涡轮机叶轮的燃烧室。燃烧膨胀器可以采用耐热材料制造，这种材料可从一组材料中选取，其中包括不锈钢、耐高温合金和工程陶瓷。
[0055] 非压缩式发动机可以包含阀门系统以用于控制工作气体流向或流出能量再生装置的流动。所述阀门系统可以包括可移动构件，所述可移动构件上可以设置所述能量再生装置。这个可移动构件可以包含一个可旋转盘，所述可旋转盘设置成用于提供能量再生装置在第一位置与第二位置之间的旋转运动，在第一位置处能量再生装置提供能量给进入燃烧膨胀器的工作气体，第二位置处能量再生装置从离开燃烧膨胀器的工作气体中获取热量。
[0056] 所述可变容积装置可以包括配有进气阀的进气排出器 (induction-displacer)。所述进气排出器可以包括活塞和汽缸。
[0057] 所述阀门系统可以用于控制燃烧膨胀器、进气排出器与能量再生装置之间的联通。
[0058] 可变容积装置可以包括大气冲程装置(或环境空气冲程装置)。所述大气冲程装置可以包含大气冷却器(或环境空气冷却器)。所述大气冷却器可以包括喷洒系统以供将液体喷洒到气体中来带走热量。这种液体有可以是水并可以包括添加剂。所述大气冷却器可以包括活塞和汽缸。所述大气冷却器可以具有与大气相通的排气阀。
[0059] 非压缩式发动机可以包含曲轴，此曲轴配置用于驱动进气排出器、燃烧膨胀器和大气冷却器。燃烧膨胀器和大气冷却器可以在被驱动时在相互之间存在180度的异相(out of phase)。进气排出器与燃烧膨胀器和大气冷却器相比冲程较短。这个非压缩式发动机可以包含面凸轮(face cam)和凸轮从动件，面凸轮和凸轮从动件可由曲轴进行驱动来控制进气排出器。所述非压缩式发动机包含可以在排出模式下由曲轴驱动运行的阀门，此阀门在闭合状态下用于消除死容积。
[0060] 这个阀门系统可以配置用于控制燃烧膨胀器、进气排出器、能量再生装置与大气冷却器之间的联通。
[0061] 能量再生装置可以包含再生器元件，此元件用于累积、贮存和释出能量，所述再生器元件内部设有可供工作气体流经的流动路径。
[0062] 本发明的目的是提升内燃机的效率。其出发点是一种非压缩式发动机，这种发动机具备了一系列的优点，这些优点带来了一种具有非常高循环效率的发动机，并能够大幅度减少冷却损失。取消压缩过程意味着工作气体最初处于环境温度之下，并因此能够接受大比例的废气热量。为了利用这部分废气热量来产生效益，就有必要在热量再生过程中将这部分气体限制在恒定的量(体积)之下。为了避免冷却损失，冷却导入过程应当在与热过程分离的单独容器内执行。在理想状态下，热过程容器应当能够运行在位于再生温度与燃烧温度之间的温度范围。根据最高设计温度以及所采用的膨胀比率，此温度在1000K至2000K之间。对本发明的第一种实施例的详尽分析揭示出，极有可能无法满足再生所有废气热量的理想目标。这是因为通过再生器排向大气的废气将处于一种恒 压过程当中，而这种气体的再生受热是一个恒定体积的过程。气体在恒定体积下的热容量仅为恒压状态下热容量的70％，所以尽管质量流量和温度限值相同，能量的传导也是不同的。因此再生器并不能够充分得到冷却，从而不能将废气冷却到环境温度。因此这样就会存在一定程度的循环损失。
[0063] 本发明的第二实施例对以上发现的缺陷做出了补偿。在膨胀之后，气体通过再生器排入到另一个等容积的可变容积机构内，这样就让这一次的排气过程发生在恒定体积之下。这个再生过程此时就完满了。进一步地，气体此时仍然处于其膨胀后容积下，但是却返回至了环境温度。因此，压力将远低于大气压力。通过让大气作用力导致此气体发生收缩即可做大气压力功。但是，如果进行了此项收缩，则气体将经历一次隔热加热，其结果是废气温度将高于环境温度。这一温度可以通过冷却汽缸来进行一定程度的降低。但是，如果将水喷洒到气体内，则收缩可以几乎以等温方式发生。通过这种方式，循环内的热量损失事件将实质上在环境温度下发生，从而最大程度提高了卡诺效率。如果有机会将水源冷却至环境温度以下，例如采用废功率驱动的冷冻系统或在冷却塔内执行蒸发冷却，则可以获得更进一步的效率提升。
[0064] 本发明的第一种实施例提供了一种效率低于本发明第二种实施例的发动机，尽量也比现有技术发动机的效率更高。这种发动机可以在一些最低成本和最小尺寸具有关键性重要意义的领域当中找到应用。
[0065] 收缩气体的喷水冷却将具备额外的好处，也就是将含氢燃料燃烧所形成的水冷凝出来，从而进一步降低压力。现代发动机都要求只能排放出非常有限数量的氮氧化物(NOX)，所述氮氧化物是在高温燃烧过程当中形成的。这些气体在冷却水内的溶解性有限，因此这个过程将对废气的净化有一定的好处。此过程可以通过添加剂来改进。如果燃烧了含硫燃料，则也会生成硫的氧化物，这种氧化物非常易溶于冷却水。一些二氧化碳也会溶解在冷却水内。另一种方式是，可以采用一种碱金属类氢氧化物来去除废气内的二氧化碳。所生成的碳酸盐可以在碳固存系统当中进行处理。另一个策略是包含NOX的生成过程是为了确保发动机能够部分负荷下运行，因此可以通过没有多余的氧化而减少燃料供应量。这 个方式可以通过在可控制的混合废气与进气来予以实现。这个过程可以通过离开发动机的废气处于低温状态下而得到简化。另一种方式是，通过限制燃烧的最高温度来减少NOX的生成量。在低于1700K的温度之下，实质上不会有NOX生成，直至高达2000K才会生成有限数量的NOX。这种降低温度的方式确实存在着降低效率的影响，但由于排热时通常具有较低的温度，这种影响受到了限制。事实很明显，废气将包含非常少量的能量并因此相当安静地离开发动机。上述描述的措施将达成低温废气排放并将因此确保循环损失被降低至最低程度。
[0066] 由于热燃烧和膨胀过程之间的温度差异以及构成容器的材质，将仍然会存在冷却损失问题。这种温度差异将造成热量对流以与温度差异成正比的比例进入到材料之内。而辐射热流动与气体的显露功率(forth powers)与壁温度之间的差异成正比。容器的表面温度通常会受到在可变容积机构内配备滑动密封的要求所限制。在采用润滑油润滑方式时，壁温通常位于150和300摄氏度之间。出于这个原因，所以不要求采用耐高温材料。这意味着在传统的发动机当中，从热过程流出的热量将流经循环内的整个高温部分。由于非压缩过程所导致的较低压力使得非接触式密封件的使用可行。这样就可以取消由于滑动式密封所带来的温度限制，使得材料的耐高温特性成为了限制因素。绝大多数材料都会随着温度上升而出现强度降低，但对于非压缩式发动机所运行的低压体系来说，与运行在较高压力的发动机或者离心载荷非常高的涡轮机相比，对于材料的要求将较低。
[0067] 包括氧化铝和碳化硅在内的技术类陶瓷材料拥有一些有利的属性，其中包括高温下强度和低膨胀系数。热应力和热冲击将成为重要的设计考虑事项。对于这一领域的许多工作者来说，他们的目标一直是将这些材料应用于传统的发动机，但是，这些材料的特性与非压缩式发动机的需求之间存在更大的协作增效作用。在这些应用环境下偏向于采用薄壁构造，而非压缩式发动机还有另一项优点是其工作压力大约比压缩式发动机低一个数量级，因此使得薄壁容器成为可能。本发明有可能应用于当前发动机已知的整个尺寸范围。由于热容器部件通常相对较小，所以较偏好于全部采用陶瓷来制造这些部件。在部件容积较大时，则会偏好 于采用陶瓷内衬金属结构。通过这种方式，就有可能让容器壁温处在1400摄氏度的区域内。因此从气体至壁的热量传导将因此显著减少。另一种替代实施例可以是采用高温合金，包括Haynes 118、Haynes 230、Hastelloy X或不锈钢材料，包括Fecralloy或难熔金属，包括钨或钽，来制造热容器。
[0068] 非压缩式发动机相对较低的工作压力还带来了另一项优势，就是在膨胀器内采用提升阀来限制气体不成为必要条件。提升阀的缺点是阀门背后必须留出一个弯曲的通道以供阀门导向件在通道壁内得到支持。这意味着存在着一个相当大的死气体容积，在循环过程中，这个死容积发生在超过一个以上容器内的发动机当中是一个特别大的缺点。在非压缩式发动机内产生的压力之下，可以使用通过一个或两个薄膜之内的相对转换而利用薄膜内可控制校准口进行操作的阀门。这种转换可以是线性的、旋转的或遵循由凸轮板、连杆机构、伺服机构或任何其它已知构件所定义的更为复杂的路径来执行。旋转式机构的优点是可以采用圆形的非接触式密封件来包容压力。对于那些传统润滑方法温度过高的部件，这种方式有可能是有用的。部件的低压特性，以及部件只有在膨胀冲程期间承压的特性意味着可以使用非接触式密封件而不会导致出现不可接受的损失。可以采用滚珠轴承座圈构件来方便旋转运动的实现。
[0069] 另一种方式是，可以使用一种设计用于尽量减少死空间的阀门系统。如果打开和关闭阀门的可动构件在类似于汽缸内活塞的方式下与外壳的横截面存在紧密的配合，可以达成上述方式。在阀面降低至其阀门座圈处以关闭阀门时，阀门内的气体将在活塞动作之下被排出。这种系统将允许使用静态再生器。这样就避免了活动式再生器的缺点之一，此缺点就是再生器阵列的可用温度有可能必须受到限制以确保材料保持足够的强度以耐受活动所造成的应力。
[0070] 本发明的另一个优点是燃烧条件与传统发动机不同。在传统压燃式发动机内，燃料被喷入到已经受压缩作用而被加热的气体内。燃料液滴被加热并随着蒸汽压力超过气体的压力而开始蒸发，。因为气体压力非常之高，所以燃料的沸点也很高。另外，在靠近容器壁处还有一层空气，这层空气的温度低得多并且对燃烧具有扑灭效果。在本发明当中，气体 的温度类似或高于传统压缩点燃发动机，但压力却低得多。因此燃料的蒸发将快得多。此外，高壁温将消除这一区域所存在扑灭效果。这样就有可能设计出能够在广泛燃料种类范围内工作的发动机，包括在某些应用当中的粉末状固体燃料。
[0071] 非压缩式发动机的另一个优点是具备高功比。功比就是发动机的净功输出与用于工作冲程的功之间的比率。在压缩式发动机中，功比由于需要压缩作功而被降低了。而高功比发动机的一项优点是，与低功比发动机相比，实际效率将更接近于理论效率。
[0072] 归功于非压缩式发动机低压特性的另一项优点是容器壁可以更薄。这种情况对减少发动机重量有益，这种减少对于发动机本身有好处，特别是在发动机应用在交通应用领域时，而且还能减少热质量。这意味着，如果此发动机用于满足间歇性工作要求，则涉及到发动机质量加热的损失将降低到最低程度。除此之外，启动也将更为轻松，这是因为不需要在压缩冲程内转动发动机，这使得可以更方便地在不需要供应功率的时段内关停发动机，从而显著减少浪费的空转过程。在一些诸如船舶推进的应用当中，能够时常反方向转动发动机将带来不少的便利，因为这样可以消除对于变速箱的要求。在阀门的操作机构以及进气排出器设计正确的条件下，这种情况是有可能实现的。到目前为止的描述适用于单个工作模块，这个模块等同于单汽缸传统发动机。本发明同样适用于多模块设计方案，这种方案等同于多汽缸传统发动机。多模块单元将提供更平稳功率输出的优势，并消除了往复运动式部件所带来的惯性作用力，并可以设计成自启动型式。以下详细描述值得注意，因为以下的每个模块将配备两个或三个可变容积机构。在多模块单元当中，出于包装方便的原因，每个类型的可变容积机构的数量都可以不同。例如，一个进气排出器有可能为一个以上的燃烧膨胀器提供服务。
[0073] 压缩式发动机的一项不需要的特性是，如果发动机运转在最低转速之下，则发动机无法完成压缩循环并将发生停转现象。而非压缩式发动机则不存在同样的特性。如果发动机的负荷超过了其保持其转速的能力，则发动机将缓慢平稳地降速直至停止不动。
[0074] 本发动机所采用的许多部件在表面上看起来与现有技术发动机所用 部件类似。但是，其功能并不相同，为了避免混淆，这里针对以下术语做出了定义：
[0075] 非压缩式发动机是一种正排量发动机，这种发动机基于循环将离散容积的气体吸入至发动机之内，然后将气体加热以提高其压力，则不是首先在压缩过程中让气体的容积缩小。
[0076] 再生式发动机是一种将膨胀后保留在气体内的热量捕获并送回至后续工作循环当中的发动机，在热量所返回的位置，热量的加热作用可以用于减少通过燃烧所要求的热量数量。这样就可以减少对于燃料的要求并因此提升效率。
[0077] 再生装置是任何可以利于热量再生或回收的部件或装置。能够产生机械功率的所有热动力循环都在所述循环内的一个阶段中在较高温度接收热量，并随后在所述循环中稍后的较低温度下排出热量。所排出的热量一部分或全部必须贮存一段时间直至后续循环当中的加热事件。以下定义的再生器就是一种优选的用于达成这一目标的方法。一种替代性的方法是采用一种热交换器，其中两种容积的流动气体由一个实心工作面分隔开，这个工作面应具有较大的面积，而且能够从温度较高的气流至温度较低的气流传导热量。排热和热量接受事件之间在时间上的不匹配现象可以通过给一台发动机配备多个模块来解决。两个模块之间的相位差异应安排成一个模块的排热事件与另一个模块的热量接受事件相重合，而且气体流动将相互连接成允许一个模块排出的热量被另一个模块所接受。
[0078] 可变容积机构是一种可以改变内部容积的机构。当与阀门系统配合使用时，容积上的变化有可能导致气体流入或排出本机构。当阀门系统将气体限制在可变容积机构之内时，改变机构的容积就可改变气体的体积。在汽缸内运动的活塞就是最公知的可变容积机构，并且也是本发明优选采用的机构——尽管目前已知许多其它类型的可变容积机构，但本发明也同样适用于这些其它类型的可变容积机构。最好应将最小容积或余隙容积降至尽量最低以减少死容积。
[0079] 进气排出器就是一种可变容积机构，其吸入并限制一定容积的气体。然后进气排出器在实质上恒定体积的条件下将所述气体排入至燃烧膨胀 器。
[0080] 燃烧膨胀器是一种比进气排出器具有更大最大容积的可变容积机构，其大出的倍数约为2至20倍，并优选在5至12倍。燃烧膨胀器将在其冲程的第一部分从进气排出器接受一定容积的气体，其中容积增加的速率在实质上保持在与进气排出器内容积下降的速度相同。因此气体仍然处于实质上的等容积状态下。在燃烧膨胀器内发生的燃烧过程或者在排出过程期间发生，或者在排出过程之后立刻发生。燃烧膨胀器随后完成自己的冲程，让高温气体得以膨胀，将一部分的热能转化成做功。返回冲程将随后将气体从燃烧膨胀器内排入至大气冷却器内。
[0081] 大气冷却器是一种可变容积机构，此机构实质上拥有与燃烧膨胀器相同的最大和最小容积。大气冷却器在其整个容积增加冲程内，在实质上恒定容积的状态下，接收来自燃烧膨胀器的排出气体。大气冷却器的壁保持在较低温度下，而且也可以配备内部喷洒系统，此系统可以将冷却液体喷洒到气体内以带走热量。随着冷却后的气体低于大气压力，大气冷却器的容积缩小冲程将产生大气压力做功。一旦气体压力与大气压力平衡，则一个阀门将朝向大气打开，气体以及任何水份都将排出至大气层，或排出至一个废气系统，这个废气系统能够将水与气体分离开，并在要求情况下引导一定比例的气体至进气气室，或可引导至适当的排放点。在另一种实施例当中，膨胀及膨胀所导致的机械功率转换有可能经由一个喷嘴让气体膨胀并让气体冲击涡轮机叶轮的叶片来达成。
[0082] 阀门系统是一种能够有控制性地打开和关闭端口的机构，它让气体在进气排出器与燃烧膨胀器之间以及在燃烧膨胀器与大气冷却器之间流动。
[0083] 进气阀是一种受控或自动作阀门，此阀门可让气体从大气流入或从导入气室流入至进气排出器之内。
[0084] 排气阀是一种受控或自动作阀门，这种阀门允许气体从大气冷却器流至大气或流至排气系统。
[0085] 再生器是一种经过精细分隔的结构，其中包含一个平行板阵列、一个管阵列或一叠网格元件，再生器拥有很大的表面面积，并且最好拥有一个大于膨胀后气体内剩余累加热量的总热容量。其结构和材料应当能 够耐受气体的温度以及温度循环的热冲击。值得注意的是，此阀门系统可以安排进气排出器与燃烧膨胀器之间以及燃烧膨胀器与大气冷却器之间经由再生器的流动路径。在一些实例当中，发动机有可能集成了阀门系统。
[0087] 本发明的实施例将自此完全通过示例进行描述并参考相应附图，其中：
[0088] 图1说明了对于本发明的第一实施例的一种可能布置。
[0089] 图2说明了操作本发明的第一实施例的排出工作阶段。
[0090] 图3说明了操作本发明的第一实施例的燃烧工作阶段。
[0091] 图4说明了操作本发明的第一实施例的膨胀工作阶段。
[0092] 图5说明了操作本发明的第一实施例的排气和进气工作阶段。
[0093] 图6说明了对于本发明的第二实施例的一种可能布置。
[0094] 图7说明了操作本发明的第二实施例的排出工作阶段。
[0095] 图8说明了操作本发明的第二实施例的燃烧工作阶段。
[0096] 图9说明了操作本发明的第二实施例的膨胀和排气工作阶段。
[0097] 图10说明了操作本发明的第二实施例的大气常压冷却阶段。
[0098] 图11以图表说明了本发明第二实施例的热动力循环，并显示压力对容积以及温度对熵图的关系。
[0099] 图12说明了本发明的一个实施例，其中，进气排出器，燃烧膨胀器，和大气冷却器都沿同一方向驱动。
具体实施方式
[0100] 一种非压缩式发动机的组合方式，其中至少拥有可变容积机构以及再生装置，通过这些机构和构件，一定工作容积的气体被吸入至上述发动机内，而上述气体在实质上在恒定容积条件下被供热，而且上述气体无需先接受压缩，并且有一定比例的热量供给上述气体，所述热量是经由再生装置通过从先前循环的后续阶段传导而来的方式提供。
[0101] 本发明的第一个优选实施例由两个可变容积机构组成，即一个进气排出器1和一个燃烧膨胀器2。工作容积的气体被吸入至进气排出器1之内。这部分气体随后实质上在恒定容积条件下经由再生器5被排入至燃烧膨胀器2，并且热量从再生器5传导至气体。燃烧膨胀器2内的气体随后通过燃料的燃烧而进一步加热并膨胀以做功。气体随后从燃烧膨胀器2经由再生器5排出为废气，而且热量从气体传导至再生器5。在燃烧膨胀器2工作期间，进气排出器1将吸入下一个工作容积的气体，随后重复这个循环。
[0102] 本发明的第二种优选实施例由三个可变容积机构组成，即一个进气排出器1，一个燃烧膨胀器2和一个大气冷却器3。工作容积的气体被吸入至进气排出器1之内。这部分气体随后实质上在恒定容积条件下经由再生器5被排入至燃烧膨胀器2，并且热量从再生器5传导至气体。燃烧膨胀器2内的气体随后通过燃料的燃烧而进一步加热并膨胀以做功。这部分气体随后在实质上恒定容积下经由再生器5排入至大气冷却器，并且热量从气体传导至再生器5。这部分气体此时低于大气压力，并在大气冷却器3内发生收缩，做大气压功。可以选择在大气冷却器3内配置一个喷水装置以用于产生实质上等温的收缩。一旦大气冷却器3内的气体压力与大气压力平衡，则此部分气体就从大气冷却器3内排出。在燃烧膨胀器2和大气冷却器3的运行过程中，进气排出器1吸入下一个工作容积的气体，随后此循环重复执行。
[0103] 在本发明的以上两种实例当中，优选将燃烧膨胀器2设计成在高温下运行，并采用耐高温材料制造，其中包括了不锈钢、耐高温合金和工程陶瓷，并且方便容积变化的滑动式密封机构应当采取一种非接触类型，包括迷宫式密封或空气轴承装置。
[0104] 参见图1，本发明的第一个优选实施例的发动机至少由一个工作容积较小的可变容积机构以及至少一个工作容积较大的可变容积机构组成。活塞和汽缸就是最为著名的可变容积机构范例，但是还有许多已知的此类机构，包括叶片、螺旋、涡卷和膜片机构，以及一些类似活塞的部件在旋转对称的缸体内沿圆形路径运动或往复运动的机构，以及那些以类似于Wankel发动机的外旋轮线腔室为基础的机构。较小的可变容积机构 为进气排出器1。较大的可变容积机构为燃烧膨胀器2。这两种可变容积机构相互之间经由一个阀门系统4实现了可控制的联通，而阀门系统4结合了再生器5，而且再生器5的内部容积最好控制在最低。在附图中，阀门采用了在滚珠轴承上运行的阀盘形式，并在气体路径周围采用了迷宫式密封。在一些诸如大型装置的实施例当中，可能不适于将再生器5安装到活动的阀门系统4部件之上，从而一种替代性的优选布置方式是将阀门系统4部件与再生器5隔离开来。阀盘的旋转运动可以让再生器5移动，这种移动或者沿来自进气排出器1或排出口12的通道进行，或者在这两个出口均关闭时移动至一个中间位置。进气排出器1可以通过进气阀6与大气进行联通，而进气阀6可以是受控型，也可以是如图所示的自动作型。燃烧膨胀器2可以通过一个可控的阀门系统4与大气进行交流，阀门系统4可将燃烧气体经由再生器5导向至排出口12并排入大气。
[0105] 进气排出器1和阀门系统4均采用定时机构25进行操作(参见图12)。这些部件可以采用机械方式连接至往复运动部件上，也可以采用包括杠杆、连杆凸轮盘或齿条和齿轮来进行连接，也可以通过包括凸轮系统在内的各种机构连接至旋转部件。另一种方式是，这些部件也可以在发动机管理系统的控制之下，采用电气、液压或气动方式进行驱动。这种方式在那些必须运行在广泛负荷范围和转速条件下的发动机内有可能具备一定的优势。
[0106] 参见图4和图5，在发动机运行过程中，空气被从大气吸入至进气排出器1并被进气阀6限制在容器内。附图中的活塞运动方向由箭头标示。参见图1，阀门系统4随后将进气排出器1置于经由处于高温状态下的再生器5与燃烧膨胀器2相通的状态下。这部分空气随后经由再生器5排出，并且升温，同时再生器5降温。这种排出实质上在恒定容积下进行，这是因为燃烧膨胀器2内的容积增加的速率与进气排出器1内容积减少的速率相同。阀门系统4随后移至关闭位置，将气体隔离在燃烧膨胀器2之内。可以是可燃性液体、气体或粉末固体的燃料至少从一个喷射喷嘴10被喷射到高温气体之内，然后形成燃烧并进一步加热这部分气体。燃烧可以在排出期间发生，其优点是燃烧在恒定容积下发生，缺点是进气 排出器1要承受燃烧压力。另一种燃烧发生的方式是在阀门关闭之后，这就意味着进气排出器1不会承受燃烧压力，但燃烧将不会在恒定容积下发生，除非采用了一种能够以不连续的方式改变燃烧膨胀器2内容积的机构。燃烧膨胀器2随后如图4所示让气体发生膨胀，其容积比在2至20倍之间。在此膨胀过程中功得到传导并有可能通过任何已知的方式转换成机械、电气、液压或气压输出。在附图中，所标示的连杆9可以连接至曲轴上。请注意，枢销8和活塞杆的运动受到了线性轴承的限制，而线性轴承为了清晰起见没有绘出。参见图5，在膨胀冲程结束时，阀门系统4将燃烧膨胀器2置于经由处于冷态的再生器与大气相通的状态。燃烧气体在常压下排出至大气，并在再生器5内将其热量释放出来，再生器5恢复至热态。在燃烧膨胀器
2的膨胀和排出过程正在发生之时，进气排出器1已经吸入了一批新的气体。随后循环重复执行。
2的膨胀和排出过程正在发生之时，进气排出器1已经吸入了一批新的气体。随后循环重复执行。
[0107] 热量再生因此大幅度减少了循环损失。通过燃烧膨胀器2在非常高的温度下工作，冷却损失因而被减小到了最低。为了方便达成这一目标，燃烧膨胀器2采用耐热材料制造，这种材料来自于一组包括不锈钢、耐高温合金和工程陶瓷在内的材料群。参见图6，通过将部件设计成由线性轴承引导的方式，并在采用迷宫式密封或空气轴承装置时以小间隙运行，避免了滑动密封件的润滑问题，但说明图中没有绘出线性轴承。此图示显示出贴近汽缸壁14运行但未与汽缸壁发生接触的脊形活塞侧边13。在其它实施例当中，这种脊形可以在汽缸壁14上构造，同时活塞侧边13保持光滑，或者活塞侧边13和汽缸壁14两者都可以制造出脊形构造。这种方法在压缩式发动机内不可行，这是因为在压力下气体循环内的时间长度以及气体加压的程度的缘故，这两种因素都会导致发生无法接受的压力损失。这种方法在消除燃烧膨胀器的摩擦损失方面也另有优势。通过尽量减少循环损失和冷却损失，工作循环就能达到高效率。另外，低压特性也使得燃烧膨胀器2可以采用薄壁轻重量的构造。无需压缩冲程将使得发动机更容易启动并且只需极少的飞轮效应启动工作。
[0108] 一旦发动机处于自己的工作温度之下，高温的再生气体和炽热的容器将导致燃料在喷射时自我燃烧，并且不存在靠近壁处的淬火效应。这样将赋予发动机在广泛燃料范围内工作的能力。但是对于冷启动来说， 将要求采用点火系统。点火系统可以采取任何已知的方式来达成，包括电热塞、火花塞、电加热再生器、电气加热全部或部分汽缸，或者采用基于燃烧或基于激光的点火系统。某些能够在高温发动机内良好燃烧的燃料有可能不适用于在启动运行阶段使用，因此在这种情况下将配备辅助启动燃料系统。
[0109] 本发明的第一种实施例以增加复杂度为代价容易实现效率提升。再生器5并不能理想地捕捉到全部的废气热量。这是因为经由再生器5从进气排出器1至燃烧膨胀器2的空气流动在恒定容积状态下发生，废气经由再生器5的流动发生在恒压条件下。恒定容积内的热容量约为恒定压力下热容量的70％，因此再生器5将不能利用来自进气排出器1的气体完全冷却到环境温度，并将因此在理想条件下只能接受70％的废气热量。
[0110] 在本发明的第二种优选实施例当中，公开了一种配备热量再生功能的非压缩式内燃机和一种附加的大气常压冲程。
[0111] 参见图6，发动机至少由一组三个可变容积机构构成，一个机构的工作容积比其它两个小，另两个容积实质上相同。较小的可变容积机构为进气排出器1。第一个较大的可变容积机构为燃烧膨胀器2，第二个较大的可变容积机构为大气冷却器3。这三种可变容积机构相互之间经由一个阀门系统4实现了可控制的联通，而阀门系统4结合了再生器5，而且再生器5的内部容积最好控制在最小。进气排出器1可以通过进气阀6与大气进行联通，而进气阀6可以是受控型，也可以是如图所示的自动作型。大气冷却器3可以通过排气阀7与大气进行联通，而排气阀7可以是受控型也可以自动作型。
[0112] 参见图9和图10，在发动机运行过程中，空气被从大气吸入至进气排出器1并被进气阀6限制在容器内。参见图7，阀门系统4随后将进气排出器1置于经由处于高温状态下的再生器5与燃烧膨胀器2相通的状态下。这部分空气随后经由再生器5排出，并且升温，同时再生器5降温。这种排出实质上在恒定容积下进行，这是因为燃烧膨胀器2内的容积增加的速率与进气排出器1内容积减少的速率相同。参见图8，阀门系统4随后移至关闭位置，将气体隔离在燃烧膨胀器2之内。可以是液体、 气体或粉末固体的燃料至少从一个喷射喷嘴10被喷射到高温气体之内，并进一步加热这部分气体。燃烧可以在排出期间发生，其优点是燃烧在恒定容积下发生，缺点是进气排出器1要承受燃烧压力。另一种燃烧发生的方式是在阀门关闭之后，这就意味着进气排出器1不会承受燃烧压力，但燃烧将不会在恒定容积下发生。参考图9，燃烧膨胀器2随后让气体发生膨胀，其容积比在2至20倍之间。在此膨胀过程中功得到传导至连杆9上。参见图10，在膨胀冲程结束时，阀门系统4将燃烧膨胀器2置于经由处于冷态的再生器5与大气冷却器3相通的状态。燃烧气体排除，这次在常压下排出至大气冷却器3并在再生器5内将其热量释放出来。气体的最初容积现在实质上又返回到环境温度之下但是具有更大的容积，结果压力现在是部分真空。参考图8和图9，阀门系统4然后关闭，通过大气转化进一步做功来驱动大气冷却器3的容积缩小从而发生大气冲程，直至内部和外部压力取得平衡。为了最大化效率，可选择地使用喷水11用以冷却收缩并且使其接近等温。这可以增加大约7％的发动机效率。一旦压力与大气压取得平衡，排气阀7打开同时释放气体和水。水可以与气体分离，在热交换器内冷却并且回收利用。
[0113] 这种实施例的优点是循环在燃料的绝热燃烧温度下接受热量并在近乎环境温度下排热，并且再生了实质全部的废气热量。参见图11，图中表示了压力对容积图和温度对熵图，这些图描述了本发明改进版本的循环特性。本领域技术人员可以观察到，这些循环与已知的各种循环有相当大的不同，如Otto循环、Diesel循环以及Joule-Brayton循环以及Stirling循环或Ericsson循环。在图中，从位置A至位置B的标记代表着等容积加热过程，从A至R采用再生加热，从R至B采用燃烧加热。从B至C的标记代表着绝热膨胀过程。从C至D的线条代表着对再生器5排热。从D至A的线条代表着降至大气压力的等温收缩。温熵图表示，阶段C至阶段D的排热温度限值完全被加热阶段A至B的限值所包围。因此就有可能通过再生在C至D内排出热量而在从A至R期间提供热量，而来自燃料燃烧的热量仅在从R至B阶段需要。这种循环由于等容积燃烧过程的不可逆而不能达到等于卡诺限值的效率。但是，瞬间温度上升可以达到材料在连续基础下所能耐受材料的限值之上，这种现象意味着卡诺 限值较好，所以整体效率也较高。
[0114] 冷却损失采用与本发明第一种实施例相同的方式予以最大程度的减少，这是因为燃烧膨胀器2能够在非常高的温度下工作。在本发明的意图范围内，可以实现许多种的部件布置方式。如图所示的布置具备了将热容器和冷容器隔离开的优势，从而可以尽量减少这两者之间的热传导。我们优选采用其它措施来尽量减少来自燃烧膨胀器2的热损失，包括在阀门系统4和再生器5内采取隔热措施以及提供屏挡物以反射和限制辐射热。
[0115] 图12所示为一种替代性的实施例。在这一版本当中，进气排出器1、燃烧膨胀器2和大气冷却器3均沿同一方向驱动。燃烧膨胀器和大气冷却器均连接到一个传统的曲轴24，这样就可以按180度进行异相运行。进气排出器1拥有短得多的冲程，而其不连续的运动由一个与凸轮随动器23相啮合的面凸轮22来控制。汽缸之间的气体流动由一组阀门4来控制，所述阀门能够工作在排出模式下，由此在关闭时消除死容积。这些阀门由凸轮轴21控制，这个凸轮轴由一个正时皮带驱动，或由一个安装在曲轴上的链轮齿26上的链条25来驱动。在这个实施例当中，进气阀6和排出阀7也由凸轮进行操作。
[0116] 另一项优点是废气实质上是在大气压力和温度下离开发动机的，因此本质上具有安静性，无需配备大型消声器。如果采用了喷水选项，则在提升发动机效率的同时，该选项还能将废气内的可溶解性气体除去，包括在一些燃料内包含的水和氮氧化物或硫的氧化物。氮氧化物的生成也可以通过混合一定比例的废气至进气来进行控制，这样可以确保燃烧过程只存在极少或不存在多余的氧气。
[0117] 绝大多数构成本文所述的本发明基石的工作原理已经被技术界掌握了一个世纪以上了。但是，本次公开的组合和次序是新颖的，并且有效地解决了当前技术发动机的两种主要的能量转换损失问题，并提供了一系列额外的益处。因此本发明提供了实质性和目前为止没有实现过的优势。
[0118] 对于此处所展示的实施例，可以按照专利法在不脱离本发明限定的范围内进行各种变换。
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