CN103089486A - 三类门热气发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三类门热气发动机，包括气缸活塞机构和燃烧室，所述气缸活塞机构的气缸上设进气口，所述进气口处设进气门，所述气缸活塞机构的气缸上设往复流通口，所述往复流通口处设往复流通控制门；所述往复流通口经往复连通通道与正时脉冲气体机构连通，在所述往复连通通道上设回热器，在所述气缸活塞机构的气缸上设乏气排出口，所述乏气排出口处设乏气门，所述燃烧室设在所述气缸活塞机构内。本发明通过将内燃机和热气机相结合，利用内燃机排气作为热气机的循环工质，从而实现了对发动机排气中余热的进一步利用，有效提高了发动机的热效率，结构简单、实用性强，具有广阔的应用前景。

Description

三类门热气发动机

技术领域

本发明涉及热动力领域，尤其是一种热气发动机。

背景技术

近年来，传统内燃机的高能耗、高污染排放问题日显突出，所以，热气机得到了广泛重视，然而热气机都是以外燃加热方式对工质进行加热的，众所周知，外燃加热过程很难得到温度较高的工质，因此，造成大量化学

损失。不仅如此，由于外燃加热的速率有限，对材料要求高，负荷响应差，所以严重制约了热气机的单机功率和整机功率密度，最终使热气机的用途严重受限。

传统内燃机一般是将高温尾气直接排放掉，导致热量损耗严重。然而传统的热气机中气体工质需要热量来加热，常规的加热方式为外燃式，燃料的使用效率也较低，因此针对现有内燃机和热气机的燃料使用效率，需要提供一种能对发动机排气中余热进行进一步利用的发动机。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：

方案1：一种三类门热气发动机，包括气缸活塞机构和燃烧室，所述气缸活塞机构的气缸上设进气口，所述进气口处设进气门，所述气缸活塞机构的气缸上设往复流通口，所述往复流通口处设往复流通控制门；所述往复流通口经往复连通通道与正时脉冲气体机构连通，所述往复连通通道上设回热器，在所述气缸活塞机构的气缸上和/或在所述回热器与所述正时脉冲气体机构之间的所述往复连通通道上设乏气排出口，所述乏气排出口处设乏气门，所述燃烧室设在所述气缸活塞机构内和/或所述往复流通口与所述回热器之间的所述往复连通通道内，所述气缸活塞机构、所述正时脉冲气体机构和所述往复连通通道构成工质回路。

方案2：在方案1的基础上，所述正时脉冲气体机构设为附属气缸活塞机构。

方案3：在方案2的基础上，所述气缸活塞机构和所述附属气缸活塞机构为共轴设置，且为V型布置。

方案4：在方案2的基础上，所述气缸活塞机构和所述附属气缸活塞机构为α型或β型设置。

方案5：在方案2的基础上，在所述附属气缸活塞机构上和/或在所述回热器与所述附属气缸活塞机构之间的所述往复连通通道上设冷却器。

方案6：在方案2的基础上，在所述附属气缸活塞机构的气缸上设附属进气口和附属往复流通口，所述附属进气口处设附属进气门，所述附属往复流通口处设附属往复流通控制门，所述往复流通口经往所述复连通通道与所述附属往复流通口连通。

方案7：在方案6的基础上，所述附属进气口与增压装置的压缩气体出口连通。

方案8：在方案1的基础上，所述正时脉冲气体机构设为带正时控制机构的储气罐。

方案9：在方案8的基础上，所述回热器经所述正时控制机构与所述储气罐连通。

方案10：在方案1的基础上，所述正时脉冲气体机构设为气体压缩机，所述回热器与所述气体压缩机的压缩气体出口连通。

方案11：在方案10的基础上，所述气体压缩机的进气道上设有增压装置。

方案12：在方案1的基础上，所述三类门热气发动机还包括涡轮动力机构和叶轮压气机，所述乏气排出口与所述涡轮动力机构的工质入口连通，所述涡轮动力机构的工质出口经冷却器与所述叶轮压气机的工质入口连通，所述叶轮压气机的工质出口与所述工质回路连通；所述涡轮动力机构的工质出口与所述叶轮压气机的工质入口之间的通道上设有工质导出口。

方案13：在方案1的基础上，所述气缸活塞机构设为活塞液体机构，所述活塞液体机构包括气液缸和气液隔离结构，所述气液隔离结构设在所述气液缸内。

方案14：在方案2的基础上，所述附属气缸活塞机构设为附属活塞液体机构，所述附属活塞液体机构包括气液缸和气液隔离结构，所述气液隔离结构设在所述气液缸内。

方案15：在方案13或14的基础上，所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和。

方案16：在方案1的基础上，所述三类门热气发动机还包括四类门气缸活塞机构，所述四类门气缸活塞机构的供气口与所述气缸活塞机构的气缸上的进气口连通，所述四类门气缸活塞机构的回充口与所述乏气排出口连通。

方案17：在方案1的基础上，所述燃烧室排出的物质的质量流量大于从所述工质回路外导入所述燃烧室的物质的质量流量。

方案18：在方案1的基础上，所述三类门热气发动机还包括低温冷源，所述低温冷源用于提供低温物质，所述低温物质用于冷却所述正时脉冲气体机构中或即将进入所述正时脉冲气体机构的工质。

方案19：在方案1的基础上，在所述回热器和所述正时脉冲气体机构之间的所述往复连通通道上设有冷却器。

方案20：在方案1的基础上，在所述正时脉冲气体机构上设有冷却器。

方案21：在方案1的基础上，多个所述气缸活塞机构与一个所述正时脉冲气体机构连通。

方案22：在方案1的基础上，所述正时脉冲气体机构的最高脉冲气压大于0.5MPa。

方案23：在方案7或11的基础上，所述增压装置的气体出口处的承压能力大于0.3MPa。

本发明的原理是：在所述燃烧室设在所述气缸活塞机构内的结构中，所述气缸活塞机构先以内燃机循环工作，并在之后的工作循环中将处于排气冲程的所述气缸活塞机构作为热气机的热缸，将所述正时脉冲气体机构作为热气机的冷缸，进行至少一次热气机循环；从而将内燃机的循环和热气机的循环结合在一起；经过热气机循环后的工质从所述乏气排出口排出，完成一个循环周期。

在所述燃烧室设在所述往复流通口与所述回热器之间的所述往复连通通道内的结构中，所述气缸活塞机构先作为压气机工作，压缩气体供入所述燃烧室中发生燃烧化学反应，在之后的工作循环中所述气缸活塞机构作为热气机的热缸，所述正时脉冲气体机构作为热气机的冷缸，在热缸和冷缸之间进行至少一次热气机循环；经过热气机循环后的工质从所述乏气排出口排出，完成一个循环周期。

其中，热气机循环的工质是内燃机排气冲程中的高温气体或经内燃燃烧直接产生的高温高压工质，这样可以大幅提高系统的热效率和功率。

本发明中，所谓乏气排出口是指所述三类门热气发动机经历以内燃机循环和热气机循环结合的组合循环，系统中的工质在所述往复流通通道往复流通至少一次后的排气口。

本发明中，所述三类门热气发动机中的所述气缸活塞机构可按照吸气冲程-压缩冲程-燃烧爆炸做功冲程-供气冲程-回充做功冲程-排气冲程的六冲程循环模式工作。

本发明中，当所述正时脉冲气体机构设为附属气缸活塞机构时，可与设有所述燃烧室的所述气缸活塞机构共轴并呈V型设置。

本发明中，当所述正时脉冲气体机构设为附属气缸活塞机构时，可与设有所述燃烧室的所述气缸活塞机构以α方式设置或以β方式设置。

本发明中，所述冷却器的设置是为了提高对排气中热量的利用率。

本发明中，所述增压装置的设置是为了提高所述正时脉冲气体机构的压力。

本发明中，所谓的正时脉冲气体机构是指能够按正时关系向所述气缸活塞机构提供气体并能从所述气缸活塞机构接收气体，与所述气缸活塞机构及相关单元（例如回热器等）一同完成热力学循环的装置，例如附属气缸活塞机构、带正时控制机构的储气罐、气体压缩机等。所谓的正时关系是指所述气缸活塞机构和所述正时脉冲气体机构完成热力学循环的逻辑关系。

本发明中，所述工质回路是指由所述气缸活塞机构、所述正时脉冲气体机构和二者之间的连通通道构成的工质可以循环流动的空间。

本发明中，在所述燃烧室中发生燃烧化学反应的燃料可以是碳氢化合物、碳氢氧化合物或固体碳。固体碳具有燃烧后没有水生成和燃烧后产物中的二氧化碳浓度高，易液化等优点；固体碳可采用固体预先装配、粉末化后喷入或粉末化后再用液体或气体二氧化碳流化后喷入的方式输入所述燃烧室。

本发明中，所述气液缸是指可以容纳气体工质和/或液体，并能承受一定压力的容器，所述气液缸被所述气液隔离结构分隔成气体端和液体端，所述气液缸的气体端设有气体工质流通口，所述气体工质流通口用于与所述工质回路中的其它装置或机构连通；所述气液缸的液体端设有液体流通口，所述液体流通口用于与液压动力机构和/或液体工质回送系统连通。

本发明中，所述气液隔离结构是指可以在所述气液缸中做往复运动的结构体，如隔离板、隔离膜、活塞等，其作用是隔离所述气液缸中的气体工质和液体，优选的，所述气液隔离结构和所述气液缸密封滑动配合。在所述活塞液体机构工作过程中，根据所述气液隔离结构处于所述气液缸内的不同位置，所述气液缸内可能全部是气体工质，也可能全部是液体，或者气体工质和液体同时存在。

本发明中，所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构与传统的活塞连杆机构不同，传统的活塞连杆机构中的活塞可受连杆的推力或拉力停下，从而实现对活塞行程的限制，而在所述气液缸中，当所述气液缸内的气体工质做正功时，所述气液隔离结构受压力向下止点方向移动，将液体以高压形式排出所述气液缸并推动液压动力机构（例如液体马达）对外做功，当液体即将排尽时，改变液体马达工作模式或启动液体工质回送系统，使所述气液缸内的液体不再减少，此时液体会对所述气液缸内的所述气液隔离结构施加制动力，使其停止，以防止其撞击气液缸的液体端底部的壁；当不断向所述气液缸内输入液体时，所述气液隔离结构会不断向上止点方向移动，当到达上止点附近时，停止向所述气液缸内输入液体或者使所述气液缸内的液体减少（流出），尽管如此，所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构仍然会由于惯性向上止点方向运动，此时，如果所述气液缸内的气体工质的压力不够高，则会导致所述气液隔离结构继续向上运动而撞击气液缸顶部的壁，为了避免这种撞击，需要使气液缸内气体工质的压力足够高，使其对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和。

本发明中，在所述三类门热气发动机的工作过程中所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和是变化的，因此在工程设计中应保证在任何工作时刻都满足“所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和”的条件，例如通过调整所述工质回路中的工作压力、调整气液隔离结构的质量、调整液体密度或调整液体深度等方式来实现，其中，所述液体深度是指液体在做往复运动方向上的液体的深度。

所谓的“调整所述工质回路中的工作压力”是通过调整流入和/或流出所述工质回路的气体工质的体积流量来实现的，例如可以通过调整所述乏气排出口的开关间隔、每次开启的时间和/或所述乏气排出口处控制阀的开口大小来实现。

本发明中，通过调整所述工质回路的工作压力（例如可以通过调整所述工质导出口的开启压力或者开关时间来实现）以及所述气缸活塞机构的排量，以控制所述气缸活塞机构的质量排量，使所述燃烧室排出的物质的质量流量M₂大于从所述工质回路外导入所述燃烧室的物质的质量流量M₁，也就是说除了从所述工质回路外导入所述燃烧室的物质外，还有一部分物质是从所述工质回路中导入所述燃烧室的，由于所述燃烧室是设置在所述工质回路内的，所以也就是说从所述燃烧室排出的物质至少有一部分流回所述燃烧室，即实现了工质在所述气缸活塞机构和所述正时脉冲气体机构之间的往复流动。从所述工质回路外向所述燃烧室导入的物质可以是氧化剂、燃料或压缩气体等。

本发明中，所述低温冷源是指能提供温度在0℃以下的低温物质的装置、机构或储罐，例如采用商业购买方式获得的储存有低温物质的储罐，所述低温物质可以是液氮、液氧、液氦或液化空气等。当本发明中氧化剂为液氧时，液氧可直接作为所述低温物质。

本发明中，所述低温冷源以直接与所述工质回路连通使所述低温物质与所述工质回路内的工质混合的方式，或者以经换热装置使所述低温物质与所述工质回路内的工质换热的方式，对所述正时脉冲气体机构中或即将进入正时脉冲气体机构的工质进行冷却处理。热气机是一种工作循环接近卡诺循环的动力机构，其热效率的计算可以参考卡诺循环热效率计算公式：

从中可知，当冷源温度T₂下降时，热效率η升高，而且向冷源排放的热量减少，如果冷源温度T₂下降幅度很大，即冷源温度很低，则热效率η很高，向冷源排放的热量很小。由此推断，可用温度相当低的低温物质使冷源温度T₂大幅下降，从而大幅减少向冷源排放的热量，有效提高发动机效率。

温度越低的低温物质（例如液氧、液氮或液氦等），在制造过程中需要消耗越多的能量，但是就单位质量而言，对发动机热效率η提升的贡献越大，就好比将能量存储在温度很低的物质中，相当于一种新型电池的概念，所述低温物质可以使用垃圾电等成本很低的能源来制造，从而有效降低发动机的使用成本。

本发明中，所述四类门气缸活塞机构是指气缸上设有进气口、排气口、供气口和回充口，在所述进气口、所述排气口、所述供气口和所述回充口处依次对应设置进气门、排气门、供气门和回充门的气缸活塞机构。

本发明中，所谓的两个气缸活塞机构α型设置是指α型斯特林发动机中两个气缸活塞机构的设置方式，所谓的两个气缸活塞机构β型设置是指β型斯特林发动机中两个气缸活塞机构的设置方式。

本发明中，所谓的在所述往复连通通道上设回热器包括所述回热器设置在所述往复连通通道内的结构。

本发明中，燃料燃烧可能是点火燃烧也可能是在所述气缸活塞机构中压燃，如果是采用点火燃烧的方式，还需要在所述燃烧室设点火装置，例如火花塞。

本发明中，所谓的共轴是指当所述正时脉冲气体机构设为包括气缸活塞机构的装置时，所述气缸活塞机构和所述正时脉冲气体机构中的气缸活塞机构均与同一曲轴的同一连杆轴颈连接，两缸的轴线设为V型；或是指两缸与同一曲轴不同相位的两个连杆轴颈相连接，两缸的轴线夹角小于90度。

本发明中，所述工质回路内的工质需要经过压缩、加热升温升压、做功以及被冷却的过程，这就要求所述工质回路能承受一定压力，选择性地，所述工质回路的承压能力可设为大于2MPa、2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5MPa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、20.5MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa、25MPa、26MPa、27MPa、28MPa、29MPa、30MPa、31MPa、32MPa、33MPa、34MPa、35MPa、36MPa、37MPa、38MPa、39MPa或大于40MPa。

本发明中，所述工质回路中的工质压力与其承压能力相匹配，即所述工质回路的工质的最高压力达到其承压能力。

本发明人提出如下所述P-T图和热力学第二定律的新的阐述方式：

压力和温度是工质的最基本、最重要的状态参数。然而，在至今为止的热力学研究中，没有将以压力P和温度T为坐标的P-T图用于对热力学过程及热力循环的研究中。在热力学诞生以来的两百多年里，本发明人第一次提出用P-T图研究热力学过程和热力循环的思想。在利用P-T图研究热力学过程和热力循环中，本发明人发现P-T图比常用的P-V图和T-S图都具有明显的优势，它能更本质地描述热力学过程和热力循环中工质状态的变化，使本发明人对热力学过程和热力循环有更深刻的理解。利用P-T图，本发明人总结了十条热力学第二定律的新的阐述方式，这些新的阐述方式与以往的开尔文和克劳修斯的热力学阐述方式虽然等价，但是更明确的揭示了对工质的加热过程和压缩过程的区别，也为高效热机的开发指明了方向。这一新方法和新定律，将大大促进热力学的发展和热机工业的进步。具体如下：

P-V图和T-S图在热力学研究中早已被广泛应用，然而鉴于P、T是工质最重要的状态参数，所以本发明人以压力P和温度T为坐标绘制了P-T图，并将Carnot Cycle和Otto Cycle标识在图28所示的P-T图中。很明显地，P-T图使热力学过程和热力循环中工质状态的变化更加显而易见，也使热力学过程和热力循环的本质更易理解。例如：图28所示的CarnotCycle的P-T图，可以使本发明人容易地得出这样的结论：Carnot Cycle的可逆绝热压缩过程的使命是以可逆绝热压缩的方式将工质的温度升高至其高温热源的温度，以实现与高温热源的温度保持一致的前提下自高温热源恒温吸热膨胀过程。此外，本发明人还可以明显地看出：当Carnot Cycle的高温热源的温度升高时，本发明人必须在Carnot Cycle的可逆绝热压缩过程中将工质更加深度地压缩，使其达到更高的温度，以达到升温后的高温热源的温度，以实现与升温后的高温热源的温度保持一致的前提下自升温后的高温热源恒温吸热膨胀过程，从而实现效率的提高。

根据绝热过程方程

（其中，C是常数，k是工质的绝热指数），本发明人将不同C值的绝热过程方程的曲线绘制在图29中。根据数学分析，并如图29所示，任何两条绝热过程曲线都不相交。这意味着：在同一条绝热过程曲线上的过程是绝热过程，而与任何绝热过程曲线相交的过程是非绝热过程，换句话说，任何连接两条不同绝热过程曲线的过程是非绝热过程（所谓的非绝热过程是指具有热量传递的过程，即放热的过程和吸热的过程）。在图30中，本发明人标注了两个状态点，即点A和点B。如果一个热力过程或一系列相互连接的热力过程从点A出发到达点B，则本发明人称之为连接点A和点B的过程，反之本发明人称之为连接点B和点A的过程。根据图30所示，本发明人可以得出这样的结论：如点B在点A所在的绝热过程曲线上，则连接点A和点B的过程是绝热过程；如点B在点A所在的绝热过程曲线的右侧，则连接点A和点B的过程是吸热过程；如点B在点A所在的绝热过程曲线的左侧，则连接点A和点B的过程是放热过程。由于连接点A和点B的过程可能是放热过程、绝热过程或吸热过程，所以本发明人以点B为参照，将点A分别定义为具有过剩温度、理想温度和不足温度。同理，连接点B和点A的过程可能是放热过程、绝热过程或吸热过程，所以本发明人以点A为参照，将点B分别定义为具有过剩温度、理想温度和不足温度。

通过这些分析和定义，本发明人得出如下十条关于热力学第二定律的新的阐述方式：

1、没有吸热过程的参与，不可能将放热过程恢复至其始点。

2、没有放热过程的参与，不可能将吸热过程恢复至其始点。

3、没有非绝热过程的参与，不可能将非绝热过程恢复至其始点。

4、仅用绝热过程，不可能将非绝热过程恢复至其始点。

5、用放热过程以外的热力过程使吸热过程的压力恢复到其始点的压力时，其温度一定高于其始点的温度。

6、用吸热过程以外的热力过程使放热过程的压力恢复到其始点的压力时，其温度一定低于其始点的温度。

7、吸热过程不可能不产生过剩温度。

8、放热过程不可能不产生不足温度。

9、任何在压缩过程中不放热的热机的效率不可能达到卡诺循环的效率。

10、对工质的加热过程和对工质的压缩过程的区别在于：加热过程一定产生过剩温度，而压缩过程则不然。

关于热力学第二定律的十条新的阐述方式，是等价的，也是可以经数学证明的，这十条阐述方式中的任何一条均可单独使用。本发明人建议：在热力学研究过程中，应广泛应用P-T图及上述关于热力学第二定律的新的阐述方式。P-T图以及关于热力学第二定律的新的阐述方式对热力学的进步和高效热机的开发具有重大意义。

热力学第二定律的新的阐述方式的英文表达：

1.It is impossible to return a heat rejection process to its initial state without a heatinjectionprocess involved.

2.It is impossible to return a heat injection process to its initial state without a heat rejectionprocess involved.

3.It is impossible to return a non-adiabatic process to its initial state without anon-adiabatic process involved.

4.Itis impossible to return a non-adiabatic process to its initial state only by adiabaticprocess.

5.If the final pressure of heat injection process is returned to its initial pressure by processother than heat rejection process,the temperature of that state is higher than that of the initialstate.

6.If the final pressure of heat rejection process is returned to its initial pressure by processother than heat injection process,the temperature of that state is lower than that of the initial state.

7.It is impossible to make heat injection process not generate excess-temperature.

8.It is impossible to make heat rejection process not generate insufficient-temperature.

9.It is impossible for any device that operates on a cycle to reach the efficiency indicatedby Carnot cycle without heat rejection in compression process.

10.The difference between heat injection process and compression process which are appliedto working fluid of thermodynamic process or cycle is that heat injection process must generateexcess-temperature,but compression process must not.

本发明中，应根据发动机、热气机及热动力领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统。

本发明的有益效果如下:

本发明公开的三类门热气发动机通过将内燃机循环与热气机循环相结合，在内燃机的一个工作循环中嵌入一个或多个热气机循环，利用内燃机排气或燃烧后的高温高压工质作为热气机的循环工质，从而实现了对发动机排气中的能量进行进一步利用，与传统发动机相比，提高了发动机的热效率以及功率，有利于节约能源，且结构简单、实用性强，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1和2是本发明所述的三类门热气发动机的结构原理图；

图3是实施例1所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图4是实施例2所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图5是实施例3所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图6是实施例4所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图7是实施例5所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图8是实施例6所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图9是实施例7所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图10是实施例8所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图11是实施例9所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图12是实施例10所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图13是实施例11所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图14是实施例12所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图15是实施例13所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图16是实施例14所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图17是实施例15所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图18是实施例16所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图19是实施例17所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图20是实施例18所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图21是实施例19所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图22是实施例20所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图23是实施例21所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图24是实施例22所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图25是实施例23所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图26是实施例24所述的三类门热气发动机的结构示意图；

图27是对置活塞气缸机构的结构示意图；

图28所示的是卡诺循环和奥拓循环的P-T图，其中，C₀，C₁和C₂是不同数值的常数，k是绝热指数，循环0-1-2-3-0是卡诺循环，循环0-1-4-5-0是高温热源温度升高后的卡诺循环，循环0-6-7-8-0是奥拓循环；

图29所示的是多条不同绝热过程曲线的P-T图，其中，C₁，C₂，C₃，C₄和C₅是不同数值的常数，k是绝热指数，A和B是状态点；

图30所示的是绝热过程曲线的P-T图，其中，C是常数，k是绝热指数，A和B是状态点；

图中：

1气缸活塞机构、10进气口、11进气门、12乏气门、13往复流通口、14往复流通控制门、15乏气排出口、16进排共用气口、17进排共用气门、2附属气缸活塞机构、20附属进气口、21附属进气门、22气体压缩机、23附属往复流通口、24附属往复流通控制门、25冷却器、3正时脉冲气体机构、301储气罐、4回热器、5燃烧室、6正时控制机构、71涡轮动力机构、72叶轮压气机、73工质导出口、74冷却器、8低温冷源、96液压动力机构、97液体回送系统、99过程控制机构、111气液缸、112气液隔离机构、113液体流通口、200四类门气缸活塞机构、201进气口、202排气口、203供气口、204回充口。

具体实施方式

实施例1

如图3所示的三类门热气发动机，包括气缸活塞机构1和燃烧室5，所述燃烧室5设在所述气缸活塞机构1内；所述气缸活塞机构1上设有进气口10，所述进气口10处设有进气门11，所述气缸活塞机构1上设有往复流通口13，所述往复流通口13处设有往复流通控制门14；所述气缸活塞机构1上设有乏气排出口15，所述乏气排出口15处设有乏气门12，所述往复流通口13经往复连通通道100与正时脉冲气体机构3连通，所述往复连通通道100上设回热器4，相当于所述回热器4经所述往复连通通道100一端与所述往复流通口13连通，另一端与正时脉冲气体机构3连通。其中，所述正时脉冲气体机构3设为附属气缸活塞机构2，所述三类门热气发动机的所述气缸活塞机构1能够按照吸气冲程-压缩冲程-燃烧爆炸做功冲程-供气冲程-回充做功冲程-排气冲程的六冲程循环模式工作。

可根据实际使用需要，上述循环工作模式中回充做功冲程之后，可返回至供气冲程，重复进行热气机的工作循环，循环多次后再进入排气冲程。

其中，作为所述正时脉冲气体机构3的所述附属气缸活塞机构2内的最高脉冲气压为0.6MPa，选择性地，所述最高脉冲气压可根据需要选择大于0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa、2.5MPa或大于3MPa的任意值。

实施例2

如图4所示的三类门热气发动机，其与实施例1的区别在于：在作为所述正时脉冲气体机构3的所述附属气缸活塞机构2上设有冷却器25，且在所述回热器4和所述附属气缸活塞机构2之间的所述往复连通通道100上也设有冷却器25。

选择性地，上述两个冷却器25也可只设置任意一个。

其中，作为所述正时脉冲气体机构3的所述附属气缸活塞机构2内的最高脉冲气压为0.8MPa。

实施例3

如图5所示的三类门热气发动机，其与实施例1的区别在于：所述正时脉冲气体机构3设为带有正时控制机构6的储气罐301，所述回热器4经所述正时控制机构6与所述储气罐301连通。受所述正时控制机构6的控制，所述储气罐21按照正时关系将气体送入所述三类门热气发动机的所述气缸活塞机构1的气缸内，并按正时关系接收所述气缸活塞机构1的气缸内的气体，以保证所述发动机能够按照吸气冲程-压缩冲程-燃烧爆炸做功冲程-供气冲程-回充做功冲程-排气冲程的六冲程循环模式工作。

其中，所述储气罐301内的最高脉冲气压为1MPa。

实施例4

如图6所示的三类门热气发动机，其与实施例3的区别在于：所述储气罐21上设有冷却器25，且所述回热器4和所述储气罐301之间的所述往复连通通道100上设有乏气排出口15，所述乏气排出口15处设有乏气门12。

其中，所述储气罐301内的最高脉冲气压为1.5MPa。

实施例5

如图7所示的三类门热气发动机，其与实施例1的区别在于：所述附属气缸活塞机构2上设有附属进气口20，所述附属进气口10处设有进气门21；所述附属气缸活塞机构2上设有附属往复流通口23，所述附属往复流通口23处设有附属往复流通控制门24，所述往复流通口13经所述往复连通通道100与所述附属往复流通口23连通。

其中，所述附属气缸活塞机构2内的最高脉冲气压为1.2MPa。

实施例6

如图8所示的三类门热气发动机，其与实施例5的区别在于：所述附属气缸活塞机构2的所述附属进气口20与作为增压装置的叶轮压气机72的气体出口连通。

其中，所述附属气缸活塞机构2内的最高脉冲气压为1.4MPa；所述叶轮压气机72的气体出口处的承压能力为0.6MPa，选择性地，所述叶轮压气机72的气体出口处的承压能力可根据需要选择大于0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa、0.9MPa或大于1MPa的任意值。

实施例7

如图9所示的三类门热气发动机，其与实施例5的区别在于：所述回热器4和所述附属气缸活塞机构2之间的所述往复连通通道100上设有冷却器25。

其中，所述附属气缸活塞机构2内的最高脉冲气压为1.3MPa。

实施例8

如图10所示的三类门热气发动机，其与实施例5的区别在于：所述回热器4和所述附属气缸活塞机构2的所述附属往复流通口23之间的所述往复连通通道100上设有乏气排出口15，所述乏气排出口15处设有乏气门12。

其中，所述附属气缸活塞机构2内的最高脉冲气压为1.8MPa。

实施例9

如图11所示的三类门热气发动机，其与实施例8的区别在于：所述附属气缸活塞机构2的所述附属进气口20与作为增压装置的叶轮压气机72的气体出口连通。

其中，所述附属气缸活塞机构2内的最高脉冲气压为2MPa；所述叶轮压气机72的气体出口处的承压能力为0.8MPa。

实施例10

如图12所示的三类门热气发动机，其与实施例2的区别在于：两个所述气缸活塞机构1的所述往复流通口13分别依次经所述回热器4和所述冷却器25与同一个所述附属气缸活塞机构2连通。

其中，所述附属气缸活塞机构2内的最高脉冲气压为2.2MPa。

实施例11

如图13所示的三类门热气发动机，其与实施例5的区别在于：所述气缸活塞机构1的所述进气口10和所述乏气排出口15一体化设置为进排共用气口16，所述进气门11和所述乏气门12一体化设置为进排共用气门17。

实施例12

如图14所示的三类门热气发动机，其与实施例5的区别在于：三个所述气缸活塞机构1的所述往复流通口13分别经所述回热器4与同一个所述附属气缸活塞机构2的所述附属往复流通口23连通，所述附属气缸活塞机构2上设有冷却器25。

实施例13

如图15所示的三类门热气发动机，其与实施例2的区别在于：所述气缸活塞机构1和所述附属气缸活塞机构2共轴并呈V型设置；图中所示的所述气缸活塞机构1和所述附属气缸活塞机构2为α型设置，根据实际使用需要，还可设为β型结构。

实施例14

如图16所示的三类门热气发动机，其与实施例1的区别在于：取消了设置在所述气缸活塞机构1上的所述乏气排出口15，在所述回热器4和所述附属气缸活塞机构2之间的所述往复连通通道100上设所述乏气排出口15，所述乏气排出口15处设有乏气门12。

实施例15

如图17所示的三类门热气发动机，其与实施例14的区别在于：所述回热器4与所述乏气排出口15之间的所述往复连通通道100上设有冷却器25。

其中，所述附属气缸活塞机构2内的最高脉冲气压为2.6MPa。

实施例16

如图18所示的三类门热气发动机，其与实施例15的区别在于：所述正时脉冲气体机构3设为气缸活塞式的气体压缩机22。

其中，所述气体压缩机22内的最高脉冲气压为2.3MPa。

实施例17

如图19所示的三类门热气发动机，其与实施例16的区别在于：所述气体压缩机22的进气道上设有作为增压装置的叶轮压气机72。

其中，所述气体压缩机22的最高脉冲气压为2.8MPa；所述叶轮压气机72的气体出口处的承压能力为1MPa，选择性地，所述叶轮压气机72的气体出口处的承压能力可根据需要选择大于0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa、0.9MPa或大于1MPa的任意值。

实施例18

如图20所示的三类门热气发动机，其与实施例11的区别在于：还包括叶轮压气机72和涡轮动力机构71，所述进排共用气口16同时与所述叶轮压气机72的气体出口和所述涡轮动力机构71的气体入口连通。

实施例19

如图21所述的三类门热气发动机，其与实施例1的区别在于：所述燃烧室5设置在所述往复流通口13与所述回热器4之间的所述往复连通通道100内，此结构中，所述气缸活塞机构1一部分时间作为压气机、一部分时间作为热气机的热缸使用，同时还担负系统中乏气的排出。新鲜空气先由所述进气口10进入所述气缸活塞机构1，并在其内压缩后供入所述燃烧室5内发生燃烧化学反应，随后进入由所述气缸活塞机构1和所述附属气缸活塞机构2组成的热气机的循环，在经过一个或多个热气机循环后，变成乏气由所述乏气排出口15排出，其中，所述气缸活塞机构1按照吸气冲程-压缩供气冲程-回充做功冲程-供气冲程-回充做功冲程-排气冲程的循环模式工作。

选择性地，所述气缸活塞机构1的一个工作循环中，在回充做功冲程后可以包括多个“供气冲程-回充做功冲程”的过程单元。

实施例20

如图22所述的三类门热气发动机，其与实施例19的区别在于：在所述气缸活塞机构1内还设有另一个燃烧室5，所述气缸活塞机构1按照吸气冲程-压缩供气冲程-余隙气体燃烧做功冲程-供气冲程-回充做功冲程-供气冲程-回充做功冲程-排气冲程的循环模式工作。

选择性地，所述气缸活塞机构1也可按照吸气冲程-压缩供气冲程-余隙气体燃烧做功冲程-排气冲程-回充做功冲程-供气冲程-回充做功冲程-排气冲程的循环模式工作；所述气缸活塞机构1的一个工作循环中，在回充做功冲程后可以包括多个“供气冲程-回充做功冲程”的过程单元。

实施例21

如图23所示的三类门热气发动机，在实施例16的基础上：所述三类门热气发动机还包括涡轮动力机构71和叶轮压气机72，所述乏气排出口15与所述涡轮动力机构71的工质入口连通，所述涡轮动力机构71的工质出口经冷却器74与所述叶轮压气机72的工质入口连通，所述叶轮压气机72的工质出口与所述工质回路连通，具体是与所述冷却器25和所述回热器4之间的所述往复连通通道100连通；所述涡轮动力机构71和所述叶轮压气机72之间的所述冷却器74与所述叶轮压气机72的工质入口之间的通道上设有工质导出口73。

所述工质导出口73可选择地设在所述涡轮动力机构71的工质出口与所述冷却器74之间的通道上。所述叶轮压气机72的工质出口与设在所述工质回路上的连通口连通，该连通口和所述乏气排出口15设在所述工质回路上的不同位置。

实施例22

如图24所示的三类门热气发动机，在实施例11的基础上：所述三类门热气发动机还包括低温冷源8，所述低温冷源8是存储有液氮的储罐，储罐中的液氮用于冷却所述附属气缸活塞机构2中的工质。

本实施例中，所述低温冷源8直接与所述附属气缸活塞机构2连通，在所述低温冷源8与所述附属气缸活塞机构2之间的连通通道上设有控制阀。

选择性的，所述低温冷源8还可以经换热装置使所述低温物质与所述工质回路内的工质换热。所述低温冷源8中的所述低温物质发挥冷却作用后，既可导入所述工质回路中，作为三类门热气发动机的循环工质，也可不导入所述工质回路中。

实施例23

如图25所示的三类门热气发动机，其与实施例19的区别在于：所述气缸活塞机构1设为活塞液体机构，所述活塞液体机构包括气液缸111和气液隔离机构112，所述气液隔离结构112设在所述气液缸111内，所述气液缸111的液体端的液体流通口113与液压动力机构96连通，所述液压动力机构96与液体回送系统97连通，所述液体回送系统97与所述气液缸111的液体端的液体流通口113连通；所述液压动力机构96和所述液体回送系统97受过程控制机构99控制。

所述气液缸111内的气体工质对所述气液隔离结构112的压力大于所述气液缸111内的液体和所述气液隔离结构112做往复运动时的惯性力之和。

选择性的，所述气液隔离结构112可以设为板状结构、膜结构或活塞状结构等。优选的，所述气液隔离结构112和所述气液缸111密封滑动配合。

实施例24

如图26所示的三类门热气发动机，在实施例14的基础上：所述三类门热气发动机还包括四类门气缸活塞机构200，所述四类门气缸活塞机构200的气缸上的进气口201、排气口202、供气口203和回充口204处依次对应设置进气门、排气门、供气门和回充门；所述供气口203与所述气缸活塞机构1的气缸上的进气口10连通，所述回充口204与所述乏气排出口15连通。

以上实施例中，所述燃烧室5排出的物质的质量流量大于从所述工质回路外导入所述燃烧室5的物质的质量流量。

选择性的，以上所述正时脉冲气体机构3设为所述附属气缸活塞机构2的实施例中，所述附属气缸活塞机构2可以设为附属活塞液体机构，所述附属活塞液体机构包括气液缸和气液隔离结构，所述气液隔离结构设在所述气液缸内。

选择性地，以上实施例中所述燃烧室5均可如图21所示设在所述往复流通口13与所述回热器4之间的连通通道上。

选择性地，以上实施例中的气缸活塞机构1均可设为如图27所示的对置气缸活塞机构。

显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三类门热气发动机，包括气缸活塞机构（1）和燃烧室（5），所述气缸活塞机构（1）的气缸上设进气口（10），所述进气口（10）处设进气门（11），其特征在于：在所述气缸活塞机构（1）的气缸上设往复流通口（13），所述往复流通口（13）处设往复流通控制门（14）；所述往复流通口（13）经往复连通通道（100）与正时脉冲气体机构（3）连通，在所述往复连通通道（100）上设回热器（4），在所述气缸活塞机构（1）的气缸上和/或在所述回热器（4）与所述正时脉冲气体机构（3）之间的所述往复连通通道（100）上设乏气排出口（15），所述乏气排出口（15）处设乏气门（12），所述燃烧室（5）设在所述气缸活塞机构（1）内和/或所述往复流通口（13）与所述回热器（4）之间的所述往复连通通道（100）内，所述气缸活塞机构（1）、所述正时脉冲气体机构（3）和所述往复连通通道（100）构成工质回路。

2.如权利要求1所述三类门热气发动机，其特征在于：所述正时脉冲气体机构（3）设为附属气缸活塞机构（2）。

3.如权利要求2所述三类门热气发动机，其特征在于：所述气缸活塞机构（1）和所述附属气缸活塞机构（2）为共轴设置，且为V型布置。

4.如权利要求2所述三类门热气发动机，其特征在于：所述气缸活塞机构（1）和所述附属气缸活塞机构（2）为α型或β型设置。

5.如权利要求2所述三类门热气发动机，其特征在于：在所述附属气缸活塞机构（2）上和/或在所述回热器（4）与所述附属气缸活塞机构（2）之间的所述往复连通通道（100）上设冷却器（25）。

6.如权利要求2所述三类门热气发动机，其特征在于：在所述附属气缸活塞机构（2）的气缸上设附属进气口（20）和附属往复流通口（23），所述附属进气口（20）处设附属进气门（21），所述附属往复流通口（23）处设附属往复流通控制门（24），所述往复流通口（13）经往所述复连通通道（100）与所述附属往复流通口（23）连通。

7.如权利要求6所述三类门热气发动机，其特征在于：所述附属进气口（20）与增压装置的压缩气体出口连通。

8.如权利要求1所述三类门热气发动机，其特征在于：所述正时脉冲气体机构（3）设为带正时控制机构（6）的储气罐（301）。

9.如权利要求8所述三类门热气发动机，其特征在于：所述回热器（4）经所述正时控制机构（6）与所述储气罐（301）连通。

10.如权利要求1所述三类门热气发动机，其特征在于：所述正时脉冲气体机构（3）设为气体压缩机（22），所述回热器（4）与所述气体压缩机（22）的压缩气体出口连通。

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